JP2018161698A

JP2018161698A - 工具損耗推定方法

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Publication number: JP2018161698A
Application number: JP2017059574A
Authority: JP
Inventors: 加藤　友規; Tomonori Kato; 友規加藤; 一矢西田; Kazuya Nishida; 裕太數; Yuta Kazu; 太志廣瀬; Taishi Hirose; 孝哲矢澤; Takaaki Yazawa; 優介岡本; Yusuke Okamoto; 尚子長田; Naoko Osada
Original assignee: Nagasaki University NUC; Fukuoka Institute of Technology
Current assignee: Nagasaki University NUC; Fukuoka Institute of Technology
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: JP6905224B2

Abstract

【課題】工具そのものにセンサを設けることなく、工具損耗を加工中のインプロセスで推定することが可能な工具損耗推定方法の提供。【解決手段】スピンドルの所定の回転速度を保持するために必要な圧縮空気の供給圧力と工具の逃げ面摩耗量との対応を示す第１の関係式を求め、所定の加工距離における圧縮空気の供給圧力の測定値に基づいて加工距離と圧縮空気の供給圧力との対応を示す第２の関係式を求め、第２の関係式により、次の加工距離における供給圧力予測値を推定し、供給圧力予測値と第１の関係式を用いて次の加工距離での工具の逃げ面摩耗量を推定する。【選択図】図１１

Description

本発明は、圧縮空気により回転するスピンドルを工具主軸とする工作機械の工具損耗推定方法に関する。

切削加工時において、切削工具に生じる摩耗やチッピング（微小な欠け）などの工具損耗は、加工精度を著しく劣化させるため、切削加工中にインプロセスで速やかに検知することが求められる。例えば、特許文献１には、スローアウェイ型切削工具の逃げ面上において、切れ刃縁に平行方向に、導電性材料でできた、等幅・等間隔の複数の細線と、該複数の細線の両端部において、それぞれの細線を並列に結合する二つのターミナル部とからなるセンサ薄膜が形成され、複数の細線が逃げ面摩耗の進行方向に直角方向に伸びるように配置されている工具損耗検知機能センサ付き切削工具が提案されている。

この工具損耗検知機能センサ付き切削工具では、切削加工中のインプロセスでオーム計により細線両端の電気抵抗を測定することにより、逃げ面摩耗やチッピングの進行に伴って細線が次第に細くなったり断線したりした際のセンサ薄膜両端での電気抵抗の変化量を検出することで、現在生じている逃げ面摩耗量やチッピングの大きさを定量的に知ることが可能となっている。

特許第３１４６３５３号公報

しかしながら、上述の工具損耗検知機能センサ付き切削工具では、測定分解能は細線間隔に比例するので、細線の幅や間隔は求めたい分解能に応じて設定するようになっているものの、切削工具の逃げ面上に導電性材料により形成可能な細線の幅や間隔には限界があり、微小な摩耗の進行を検知することができないという問題がある。また、消耗品であるスローアウェイ型切削工具そのものにセンサ機能を設けるため、コスト面で問題となる。

そこで、本発明においては、工具そのものにセンサを設けることなく、工具損耗を加工中のインプロセスで推定することが可能な工具損耗推定方法を提供することを目的とする。

圧縮空気により回転するスピンドルを工具主軸とし、スピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力を調整することによりスピンドルの回転速度を制御する回転速度制御機構を有する工作機械では、工具逃げ面摩耗量が大きくなると、切削抵抗が増加するために、スピンドルの回転速度を保持するために回転速度制御機構がスピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力を上昇させる。つまり、工具逃げ面摩耗量とスピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力との間には相関が存在し、本発明の工具損耗推定方法では、この相関から工具の逃げ面摩耗量を推定する。

すなわち、本発明の工具損耗推定方法は、スピンドルの所定の回転速度を保持するために必要な圧縮空気の供給圧力と工具の逃げ面摩耗量との対応を示す第１の関係式を求めること、所定の加工距離における圧縮空気の供給圧力の測定値に基づいて加工距離と圧縮空気の供給圧力との対応を示す第２の関係式を求めること、第２の関係式により、次の加工距離における供給圧力予測値を推定すること、供給圧力予測値と第１の関係式を用いて次の加工距離での工具の逃げ面摩耗量を推定することを含むことを特徴とする。

また、本発明の工具損耗推定方法は、スピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力の測定値が供給圧力予測値から外れたときに工具の異常摩耗であると推定することを含むことが望ましい。本発明に係る工作機械では、工具逃げ面摩耗量が大きくなると、スピンドルの回転速度を保持するために回転速度制御機構がスピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力を上昇させるが、工具にチッピングなどの異常摩耗が発生した際、瞬間的に切削抵抗が減り、回転速度制御機構はスピンドルの回転速度を保持するためにスピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力を急減少させる。このとき、スピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力の測定値が供給圧力予測値から外れるので、工具の異常摩耗であると推定する。

（１）スピンドルの所定の回転速度を保持するために必要な圧縮空気の供給圧力と工具の逃げ面摩耗量との対応を示す第１の関係式を求め、所定の加工距離における圧縮空気の供給圧力の測定値に基づいて加工距離と圧縮空気の供給圧力との対応を示す第２の関係式を求め、第２の関係式により、次の加工距離における供給圧力予測値を推定し、供給圧力予測値と第１の関係式を用いて次の加工距離での工具の逃げ面摩耗量を推定する構成により、工具そのものにセンサを設けることなく、工具逃げ面摩耗量を加工中のインプロセスで推定することが可能となる。

（２）スピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力の測定値が供給圧力予測値から外れたときに工具の異常摩耗であると推定することにより、工具そのものにセンサを設けることなく、チッピングなどの異常摩耗を加工中のインプロセスで推定することが可能となる。

本発明の実施の形態における工作機械を示す図である。図１の静圧空気軸受スピンドル装置を示す断面図である。図１の工作機械の工具主軸の回転速度制御機構の概要図である。図１の工作機械の工具主軸の回転速度制御系のブロック線図である。圧力レギュレータの一例を示すブロック図である。工具の軌道を示す説明図である。各回転速度における加工距離に対する逃げ面摩耗量を示す図である。各回転速度における供給圧力の上昇量に対する逃げ面摩耗量を示す図である。被削材にＳＫＤ６１を使用した際の供給圧力の上昇量に対する逃げ面摩耗量を示す図である。工具の摩耗状態を示す図である。逃げ面摩耗量の推定について説明する図である。異常摩耗の推定について説明する図である。

＜工作機械の構成＞
図１は本発明の実施の形態における工作機械を示す図、図２は図１の静圧空気軸受スピンドル装置を示す断面図、図３は図１の工作機械の工具主軸の回転速度制御機構の概要図、図４は図１の工作機械の工具主軸の回転速度制御系のブロック線図、図５は圧力レギュレータの一例を示すブロック図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態における工作機械は、ベース１と、このベース１に三次元駆動機構２を介して三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向）へ移動可能に設けられ上面にワークを載置するテーブル３と、ベース１に立設されたコラム４と、このコラム４に支持アーム５を介してテーブル３の真上に設置された静圧空気軸受スピンドル装置６とから構成されている。

静圧空気軸受スピンドル装置６は、図２に示すように、先端にエンドミルなどの回転工具７を取り付けたスピンドル１０と、このスピンドル１０を、空気層（空気隙間）を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構２０と、スピンドル１０を圧縮空気により回転させる回転駆動機構４０と、圧縮空気をエアーベアリング機構２０および回転駆動機構４０に供給するエアー供給手段５０とを備える。

スピンドル１０は、図２に示すように、所定長さの軸部１１と、この軸部１１の途中に設けられ、軸部１１の径よりも径大なフランジ部１２とを有する。本発明の実施の形態における工作機械は、このスピンドル１０を工具主軸とするものである。

エアーベアリング機構２０は、図２に示すように、スピンドル１０を収納する収納孔２２を有する軸受本体２１と、この軸受本体２１の収納孔２２内に固定され、スピンドル１０を空気隙間を介して回転可能に支持する軸受部材３１，３２とを有する。

軸受部材３１，３２は、軸部１１の外周面との間に所定のラジアル隙間３３を有する内径およびラジアル隙間３３に空気を噴出するエアー噴出孔３４を有するラジアル軸受部材３１Ａ，３２Ａと、これらラジアル軸受部材３１Ａ，３２Ａと一体的に形成され、フランジ部１２の端面との間に所定のスラスト隙間３５およびスラスト隙間３５に空気を噴出するエアー噴出孔３６を有するスラスト軸受部材３１Ｂ，３２Ｂとから構成されている。

軸受本体２１には、中心軸方向にスピンドル１０を収納する収納孔２２が形成されているとともに、外部にエアーベアリング用エアー供給口２３およびエアータービン用エアー供給口２４が形成されている。また、内部には、エアーベアリング用エアー供給口２３から各軸受部材３１，３２のエアー噴出孔３４，３６に連通するエアー供給路２５と、エアータービン用エアー供給口２４からエアータービン４１の外周に臨むエアー供給路２６が形成されている。

回転駆動機構４０は、図２に示すように、スピンドル１０の基端側（回転工具７を取り付けた端部とは反対側）に固定されたエアータービン４１と、軸受本体２１に形成され、エアータービン４１に向けて圧縮空気を噴射する空気噴射ノズルとしてのエアー供給路２６とによって構成されている。これにより、エアー供給手段５０からの圧縮空気がエアー供給路２６を通じてエアータービン４１に供給されると、エアータービン４１が回転され、これと一緒にスピンドル１０が回転される。

エアー供給手段５０は、図３に示すように、圧縮空気を供給するコンプレッサ等の空気供給源５１と、空気供給源５１とエアーベアリング用エアー供給口２３との間に設けられ、空気を所定圧に制御するエアーベアリング用圧力レギュレータ５４と、空気供給源５１とエアータービン用エアー供給口２４との間に設けられたエアータービン用圧力レギュレータ５５と、スピンドル１０の回転速度を検出する回転速度検出センサ５７からの信号と設定回転速度との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータ５５に与える回転速度コントローラ５６とから構成されている。スピンドル１０の回転速度を制御する回転速度制御機構は、エアータービン用圧力レギュレータ５５、回転速度コントローラ５６および回転速度検出センサ５７により構成されている。

エアータービン用圧力レギュレータ５５は、圧力を高速かつ精密に目標圧力に保持する超精密高速応答圧力レギュレータ（ＨＰＱＲ：High Precision Quick response pneumatic pressure Regulator）であり、例えば特開２００９−１１００３３号に開示された圧力レギュレータを用いることができる。エアーベアリング用圧力レギュレータ５４についても同じＨＰＱＲを用いることができる。

エアータービン用圧力レギュレータ５５は、図５に示すように、空気供給源５１から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁７１と、このサーボ弁７１を通った空気を流入し、等温状態に保持する等温化圧力容器７２と、この等温化圧力容器７２内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計７３と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力を検出する圧力計７４と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計７５と、流量計７３、圧力計７４および圧力微分計７５で検出された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器７６と、このＡ／Ｄ変換器７６を通じて与えられる信号を基に制御電圧を算出し、その制御電圧をＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１へ与える圧力制御手段７７とを備える。

エアータービン用圧力レギュレータ５５が起動され、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが所定の目標値に整定された状態にあるとする。このとき、サーボ弁７１は、等温化圧力容器７２の流出口から流出する流出流量と、流入口から流入する流入流量とがバランスする開度に調整されている。ここで、空気供給源５１からの空気の圧力Ｐ、または、等温化圧力容器７２から流出する空気の流出流量Ｇ_outに変動が生じ、等温化圧力容器７２内の圧力Ｐが目標値Ｐ_refから変化すると、エアータービン用圧力レギュレータ５５は空気の圧力の変動を補償するために、圧力制御手段７７によって、流量計７３で計測された流入流量Ｇ_in、圧力計７４で計測された圧力Ｐおよび圧力微分計７５で計測された圧力微分値ｄＰ／ｄｔをＡ／Ｄ変換器７６を介して受信し、これらの受信した計測データに基づいてサーボ弁７１に対する制御電圧Ｅ_iを算出し、この算出した制御電圧Ｅ_iをＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１に与える。すると、サーボ弁７１は、圧力制御手段７７によって算出された制御電圧Ｅ_iに応じた開度にサーボ弁７１を制御し、その開度に応じた流入流量Ｇ_inで等温化圧力容器７２に空気を流入する。これによって、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが目標値Ｐ_refに整定されるように制御される。

回転速度コントローラ５６は、図４に示すように、ＰＩコントローラにより回転速度をフィードバックして制御する回転速度制御系に、切削による外乱τ_disが発生したときのスピンドル１０のモデル誤差を供給空気圧力Ｐと回転速度Ｎの関係から補償することができる外乱オブザーバを適用したものである。外乱オブザーバは、外乱によりスピンドル１０のモデルに誤差が生じた場合、供給空気圧力Ｐと回転速度Ｎの関係から外乱を推定し、モデルの誤差を補償することができる。この回転速度コントローラ５６を用いた回転速度制御機構により、加工時における加工負荷が生じた際や静圧空気軸受への供給空気圧の変動においても回転速度を高速かつ安定的に制御できるようになっている。

＜工具損耗の推定＞
上記構成の工作機械により、工具寿命の直接的判定方法として工具の逃げ面摩耗量Ｖ_Bmaxを測定した。具体的には、ＮＣフライス盤（大阪機工製らくらくミル３Ｖ）に静圧空気軸受スピンドル装置６を取り付けて実験を行った。また、回転工具７として表１に示す仕様の超硬ボールエンドミルを使用した。また、被削材として、高硬度であり難削材と言われる合金工具鋼（ＳＫＤ１１ＨＲＣ５８）を使用した。被削材の仕様は表２に示す通りである。

表３は加工条件を示している。切削は切り屑の巻き込みや不規則なピッチングを防ぐために少量の潤滑油をエアで吹き付けるセミドライ加工方式により行った。工具は被削材の３００ｍｍの辺（Ｘ軸方向）の端面を加工し、順次内側へと向かいながら断続的に加工を繰り返した。図６は工具の軌道を示している。

工具の逃げ面摩耗量は、摩耗進行が不安定な初期摩耗時は１５ｍ加工するごとに６０ｍまで、それ以降は安定的に摩耗が進行するため３０ｍ加工するごとに測定した。測定にはワイヤレスのデジタル顕微鏡（Ａｎｙｔｙ３Ｒ−ＷＭ４０１ＰＣ）を使用し、機上で測定することで工具の取り付け・取り外しの工程を省略し、取り付け時の突き出し量の変動を最小限に抑えるようにした。なお、寿命の判定基準として、逃げ面摩耗幅の最大値が工具半径の１０％、つまり逃げ面摩耗量が０．１ｍｍ（＝１００μｍ）に達した時点で工具の寿命と判断し、加工実験を終了した。

図７は各回転速度における加工距離に対する逃げ面摩耗量を示している。また、無負荷回転速度の圧力平均値と加工開始から終了時までの圧力平均値の差を圧力上昇量ΔＰとし、工具摩耗（逃げ面摩耗量Ｖ_Bmax）との相関を調査した。圧力上昇量で評価する理由として、同一の回転速度でも気温や湿度などの影響により必要な供給圧が変わり、実験結果に差が発生する。この差をなくすために圧力上昇量を相対的に評価することで異なる実験結果を比較することができる。図８は各回転速度における供給圧力の上昇量に対する逃げ面摩耗量を示している。また、供給圧力の上昇量と逃げ面摩耗量から算出した相関係数を表４に示した。

図８からスピンドル１０への供給圧力の上昇量と逃げ面摩耗量で比較を行うと、どの実験においても近い傾向を示していることが分かる。また、表４からいずれの実験の場合でも０．８以上の強い相関がみられ、特に２００００ｍｉｎ^-1の実験においては０．９以上の非常に強い相関が見られた。

以上のことにより、スピンドル１０への供給圧力の上昇量ΔＰを用いることで、例えば次式により工具の逃げ面摩耗量Ｖ_Bmaxの推定が可能である。なお、ａ，ｂ，ｃは実験結果から求められる係数である。

あるいは、逃げ面摩耗が急速に進行する初期摩耗を除外して、

上記実験結果では、工具の逃げ面摩耗が進行すると供給圧力が上昇する傾向が見られた。しかしながら、一部の実験結果では工具の逃げ面摩耗が進行しても供給圧力が上昇せず、推定式や近似式から外れる場合があった。

図９は被削材にＳＫＤ６１を使用した際の実験結果を示している。図９に示すように、Ｃａｓｅ：Ａでは、工具の逃げ面摩耗が進行すると供給圧力が上昇する傾向がみられ、相関係数を算出すると０．９７３と高い値を示した。一方、Ｃａｓｅ：Ｂでは途中から工具の逃げ面摩耗が進行しても供給圧力が上昇せず、相関係数も０．６８５と低い値を示した。

図１０はＣａｓｅ：ＡとＣａｓｅ：Ｂの場合のそれぞれの工具の摩耗状態を示している。図１０に示されるように、Ｃａｓｅ：Ａでは、逃げ面両端部に通常の摩耗が発生していた。一方、Ｃａｓｅ：Ｂでは、工具中心部に大きなくぼみ（チッピング）が発生していた。このことから、供給圧力の上昇量と工具の逃げ面摩耗量の相関が低くなった場合、チッピングなどの工具の異常摩耗であると推定できる。すなわち、スピンドル１０に供給する圧縮空気の供給圧力の上昇量が工具の逃げ面摩耗量との関係により想定される推移量から外れたときに、工具の異常摩耗であると推定できる。

次に、具体的な工具損耗の推定方法について説明する。

図１１は逃げ面摩耗量の推定について説明する図であり、（ａ）は圧縮空気の供給圧力（横軸）と逃げ面摩耗量（縦軸）を示し、（ｂ）は加工距離（横軸）と供給圧力（縦軸）を示している。図中の◆は、加工の初期に近い段階で、所定の加工距離を３点決め、そこでの供給圧力と逃げ面摩耗量を測定した結果を示している。

本実施形態における工作機械では、より加工が進み、工具の逃げ面摩耗量が大きくなると、スピンドル１０の回転速度を保持するために回転速度制御機構がスピンドル１０に供給する圧縮空気の圧力を上昇させる。そこで、図１１（ａ）に示すように、測定値から直線近似式を導くことで、より加工が進んだ場合にスピンドル１０の所定の回転速度を保持するために必要な圧縮空気の供給圧力と工具の逃げ面摩耗量との対応を示す第１の関係式を求める。

また、図１１（ｂ）では、同じく測定値から直線近似式を導くことで、所定の加工距離における圧縮空気の供給圧力の測定値に基づいて加工距離と圧縮空気の供給圧力の対応を示す第２の関係式を求める。そして、第２の関係式を外挿して、次の加工距離における供給圧力予測値（図中の□）を推定する。同図では初期の３点の測定値から以後の加工距離における供給圧力予測値を推定している。この供給圧力予測値と、図１１（ａ）にて決定した第１の関係式から、より加工が進んだ場合の逃げ面摩耗量を推定することができる。

また、圧縮空気の供給圧力は回転速度制御機構から自動的に入手することが可能であるため、図１１（ｂ）は、次の加工距離（測定点）に達した場合には、そこでの供給圧力の測定値を用いて第２の関係式を更新して、さらにその次の加工距離における供給圧力予測値の推定精度を上げることが可能である。

なお、実際の運用においては、次の加工距離での供給圧力予測値と図１１（ａ）の第１の関係式から推定される逃げ面摩耗量が寿命判定基準以下ならば加工を続行し、判定基準を超える場合はオペレータの判断を仰ぐことになる。オペレータの判断としては、工具寿命と判定して同工具での加工を終了するか、次の加工距離（測定点）を短く設定して加工を続行する等の選択があり得る。

図１２は、異常摩耗の推定について説明する図であり、チッピングが発生したときの加工距離（横軸）と供給圧力（縦軸）の関係を示している。図中の□は供給圧力予測値であり、図中●は供給圧力の測定値である。楕円の破線で囲ってある表記は、次の加工距離での供給圧力予測値を推定する３点の測定値が順次推移していることを示している。

同図のデータ点の一番右において、供給圧力予測値（□）と測定値（●）が乖離しており、測定値の方が予測値より低くなっている。これは通常の予測される逃げ面摩耗よりも切削抵抗が減少したために、回転速度制御機構が供給圧力を下げたことを示しており、何らかの異常摩耗（今回の例ではチッピング）が発生したと推定することができる。異常摩耗と推定するための供給圧力予測値と測定値の乖離の程度の判定基準としては、例えば±２０％以上と決めておくことができる。

なお、実際の運用においては、異常摩耗の場合は、同工具での加工を即時終了し、その状態での被加工品の加工品質を検査するか、工具を交換して加工を再開することになる。

なお、供給圧力と逃げ面摩耗量の対応を示す第１の関係式は、加工の途中で決定するのではなく、予め実験等により決定しておいても良い。その場合、加工途中では、加工距離と供給圧力の対応を示す第２の関係式のみを決定する。

また、第１の関係式および第２の関係式ともに直線近似式でなくてもよい。関係式が決定できるだけの個数の測定値が得られれば、高次の近似式を適用することが可能である。

本発明の工具損耗推定方法は、圧縮空気により回転するスピンドルを工具主軸とする工作機械の工具損耗推定方法として有用であり、特に、工具そのものにセンサを設けることなく、工具損耗を加工中のインプロセスで推定することが可能な工具損耗推定方法として好適である。

１ベース
２三次元駆動機構
３テーブル
４コラム
５支持アーム
６静圧空気軸受スピンドル装置
７回転工具
１０スピンドル
２０エアーベアリング機構
４０回転駆動機構
５０エアー供給手段

Claims

圧縮空気により回転するスピンドルを工具主軸とし、前記スピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力を調整することにより前記スピンドルの回転速度を制御する回転速度制御機構を有する工作機械の工具損耗推定方法であって、
前記スピンドルの所定の回転速度を保持するために必要な前記圧縮空気の供給圧力と工具の逃げ面摩耗量との対応を示す第１の関係式を求めること、
所定の加工距離における前記圧縮空気の供給圧力の測定値に基づいて加工距離と前記圧縮空気の供給圧力との対応を示す第２の関係式を求めること、
前記第２の関係式により、次の加工距離における供給圧力予想値を推定すること、
前記供給圧力予測値と前記第１の関係式を用いて次の加工距離での工具の逃げ面摩耗量を推定すること
を含む工具損耗推定方法。
前記スピンドルに供給する圧縮空気の供給圧力の測定値が前記供給圧力予測値から外れたときに工具の異常摩耗であると推定すること
を含む請求項１記載の工具損耗推定方法。