JP2019084640A

JP2019084640A - 回転刃具の異常予知装置

Info

Publication number: JP2019084640A
Application number: JP2017215689A
Authority: JP
Inventors: 皓亮藤村; Hiroaki Fujimura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2019-06-06

Abstract

【課題】精度高く異常を予知することが可能な回転刃具の異常予知装置を提供することを課題とする。【解決手段】回転刃具がワークに接触した時点から所定時間内における、前記回転刃具のトルク波形を取得するトルク波形取得部と、前記回転刃具の正常時におけるトルク波形、および異常時におけるトルク波形をあらかじめ記憶している記憶部と、前記取得されたトルク波形と前記記憶された正常時におけるトルク波形との相関値である第１相関値、および前記取得されたトルク波形と前記異常時におけるトルク波形との相関値である第２相関値を算出する算出部と、前記第１相関値および前記第２相関値に基づいて前記回転刃具の異常を予知する予知判定部と、を具備する回転刃具の異常予知装置。【選択図】図２

Description

本発明は回転刃具の異常予知装置に関する。

ワークの切削加工を行うドリルなどの回転刃具に、折損などの異常が発生することがある。回転刃具に異常が発生すると、工程を一旦停止し、刃具交換および確認などの後に工程を再開することになる。したがって作業効率が低下し、また不良のワークが発生する。こうした事態を予防するため、折損が起きる前に、回転刃具のトルクの変動量に基づいて、折損を予知する技術が知られている（例えば特許文献１）。

特開平１０−２９６５８９号公報

しかし回転刃具の経年劣化などによりトルクは変動するため、誤判定が発生する恐れがある。そこで、精度高く異常を予知することが可能な回転刃具の異常予知装置を提供することを目的とする。

上記目的は、回転刃具がワークに接触した時点から所定時間内における、前記回転刃具のトルク波形を取得するトルク波形取得部と、前記回転刃具の正常時におけるトルク波形、および異常時におけるトルク波形をあらかじめ記憶している記憶部と、前記取得されたトルク波形と前記記憶された正常時におけるトルク波形との相関値である第１相関値、および前記取得されたトルク波形と前記異常時におけるトルク波形との相関値である第２相関値を算出する算出部と、前記第１相関値および前記第２相関値に基づいて前記回転刃具の異常を予知する予知判定部と、を具備する回転刃具の異常予知装置によって達成できる。

精度高く異常を予知することが可能な回転刃具の異常予知装置を提供できる。

図１は異常予知装置を例示する模式図である。図２はトルクおよび送り軸位置を示す図である。図３は制御を例示するフローチャートである。

（実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の異常予知装置１０について説明する。図１は異常予知装置１０を例示する模式図である。図１に示すように、異常予知装置１０はドリル２０（回転刃具）に適用される。制御アンプ１２は信号を出力することで主軸モータ１６および送り軸モータ１８の駆動および停止を行う。ドリル２０は主軸モータ１６の駆動により回転し、送り軸モータ１８の駆動によりＺ軸方向に往復移動する。ワーク２２はドリル２０の下に配置され、ドリル２０はワーク２２を切削加工する。

操作画面１４は作業者が視認可能かつ操作可能である。作業者は操作画面１４を見ることでドリル２０の状態を確認でき、操作画面１４を操作することでドリル２０の駆動および停止などを指示することができる。また、異常予知装置１０が異常予知をした際にアラームなどが操作画面１４に表示される。

異常予知装置１０は例えばコンピュータなどであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央演算装置）などの処理部、ＨＤＤ（Hard Disc Drive、ハードディスクドライブ）またはＳＳＤ（Solid State Drive、ソリッドステートドライブ）などの記憶部を備え、制御アンプ１２および操作画面１４に接続されている。記憶部には、ドリル２０が正常に動作しているときのトルク波形（正常モード）、折損など異常が発生したときのトルク波形（異常モード）、およびこれらに対応する閾値Ｒｔｈ１〜Ｒｔｈ３があらかじめ記憶されている。異常予知装置１０は、制御アンプ１２を通じて主軸モータ１６のトルクおよび送り軸位置（ドリル２０のＺ軸方向の位置）を取得する。

ドリル２０はＺ軸方向に細長い形状であるため、加工中に加わる応力により折損などの異常が発生する恐れがある。異常の発生直前に主軸モータ１６のトルクが正常な状態から変化する。そこで本実施形態の異常予知装置１０は、トルク波形を正常モードおよび異常モードと比較することで異常を予知する。具体的にはトルク波形と各モードとの相関値を用いる。すなわち異常予知装置１０は、トルクの推移を示すトルク波形を取得するトルク波形取得部、相関値算出部、ドリル２０の正常判定および異常予知を行う予知判定部として機能する。

相関値Ｒはピアソンの積率相関係数であり、以下の式で算出する。ｎ組のデータのうち、ｘ_ｉおよびｙ_ｉの一方が取得されたトルクの値、他方が比較対象のモードの値である。ｘ_ａｖｅおよびｙ_ａｖｅは、取得されたトルクおよび比較対象のモードのそれぞれに対応する平均である。相関値が高いほどトルク波形とモードとの類似性が高い。

図２はトルクおよび送り軸位置を示す図である。送り軸位置はドリル２０のＺ軸方向の位置に対応し、ドリル２０が図１の下方向に移動すると送り軸位置が大きくなる。左の縦軸はトルク、右の縦軸が送り軸位置、横軸は時間である。

図２に実線で示すトルク波形は、異常予知装置１０が取得するトルク波形である。一点鎖線で示す正常モードは正常時のトルク波形であり、破線で示す異常モード１および点線で示す異常モード２は異常時のトルク波形であり、これら３つは異常予知装置１０に記憶されている。折損の原因の違いなどにより、異常モード１および異常モード２のように複数の波形が発生する。

ドリル２０が下降し、時間ｔ１になるとドリル２０がワーク２２に接触し、ワーク２２の加工が行われる。時間ｔ１〜ｔ２は異常予知装置１０がトルク波形を取得する期間である。

図３は制御を例示するフローチャートである。図３に示すように、制御アンプ１２はドリル２０を回転させ、ワーク２２に向けて移動させる（ステップＳ１０）。異常予知装置１０は、ドリル２０がワーク２２に食いついてから所定の時間内（例えば図２のｔ１〜ｔ２）におけるトルク波形を取得する（ステップＳ１２）。異常予知装置１０は、記憶された正常モード、異常モード１および２それぞれの波形と、取得されたトルク波形とを比較し、それぞれとの相関値Ｒ１（第１相関値）、Ｒ２およびＲ３（第２相関値）を取得する（ステップＳ１４）。

異常予知装置１０は、トルク波形と正常モードとの相関値Ｒ１が閾値Ｒｔｈ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、トルク波形と異常モード１との相関値Ｒ２が閾値Ｒｔｈ２以上、またはトルク波形と異常モード２との相関値Ｒ３が閾値Ｒｔｈ３以上であるか否かを判定する（ステップＳ１８）。否定判定（Ｎｏ）の場合、異常予知装置１０はドリル２０が正常であると判定する（ステップＳ２０）。

ステップＳ１６において否定判定（Ｎｏ）の場合、異常予知装置１０は、Ｒ２≧Ｒｔｈ２、またはＲ３≧Ｒｔｈ３であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。肯定判定の場合、異常予知装置１０はドリル２０の異常を予知し（ステップＳ２４）、アラームを発する（ステップＳ２６）。具体的に異常の予知とはドリル２０の折損の可能性が高いことを意味し、異常予知装置１０はアラームとして例えば操作画面１４への表示、警報音の発信などで作業員に通知する。作業員は、実際に折損が発生する前にドリル２０を交換することができる。

一方、ステップＳ１８において肯定判定、またはステップＳ２２において否定判定の場合、異常予知装置１０はアラームを発する（ステップＳ２６）。トルク波形と正常モードとの相関値が閾値以上かつ異常モード１または２との相関値が閾値以上、または各モードとの相関値が閾値未満の場合、ドリル２０は正常とも異常とも判定されない。このとき正常と断定できないため、作業員に警告しておくことが好ましい。この際のアラームは、異常判定時のアラームとは異なるものでもよく、例えば音、画面の表示を異ならせてもよい。ステップＳ２０またはＳ２６の後、制御は終了する。

表１はトルク波形の比較の例である。

表１に示すように、閾値Ｒｔｈ１は５０％、Ｒｔｈ２およびＲｔｈ３は６０％とする。例１では、トルク波形と正常モード、異常モード１および２それぞれの相関値は９２％、１３％、２５％である。正常モードとの相関値がＲｔｈ１以上であり、異常モード１および２との相関値はそれぞれＲｔｈ２およびＲｔｈ３未満である。このため異常予知装置１０はドリル２０が正常と判定する（図２のステップＳ１６〜Ｓ２０）。

例２では異常モード１との相関値８０％が閾値Ｒｔｈ２以上であり、他の波形との相関値は閾値未満である。また例３では異常モード２との相関値７５％が閾値Ｒｔｈ３以上であり、他の波形との相関値は閾値未満である。したがって異常予知装置１０はドリル２０の異常を予知し、アラームを発する（ステップＳ２２〜Ｓ２６）。

例４ではいずれのモードとの相関値も対応する閾値以上である。例５ではいずれのモードとの相関値も対応する閾値未満である。異常予知装置１０は正常・異常の判定はせず、アラームを発する（ステップＳ２６）。

以上、本実施形態によれば、異常予知装置１０は、トルク波形と正常モード、異常モード１および２の波形それぞれとの相関値に基づいてドリル２０の異常を予知することができる。トルク波形の相関値を用いるため、高精度の予知が可能である。ドリル２０の経年劣化などでトルクが変動しても、あらかじめ記憶した波形と比較することで誤判定を抑制することができる。

例えばトルク波形と異常モード１または２との相関値が閾値以上、かつ正常モードとの相関値が閾値未満の場合、異常予知装置１０はドリル２０の異常を予知する（図３のステップＳ２２〜Ｓ２６、表１の例２および３）。異常が予知される場合、作業員は実際の折損が発生する前に新しいドリル２０を用意し、交換することができる。これにより工程の停止時間が短縮され、かつワーク２２の破損などが抑制される。また、トルク波形と正常モードとの相関値が閾値以上、かつ異常モード１および２との相関値がそれぞれの閾値未満である場合、異常予知装置１０はドリル２０が正常と判定する（図３のステップＳ１６〜Ｓ２０、表１の例１）。正常判定ならば、加工を継続すればよい。

ドリル２０とワーク２２との接触から所定時間内（図２のｔ１〜ｔ２）のトルク波形に基づいて異常予知を行うことが好ましい。ドリル２０の正常・異常に応じて加工開始直後のトルクに変化が生じやすい。したがってｔ１〜ｔ２期間のトルク波形を用いることで異常予知の精度が向上する。

異常が予知された場合、アラームにより作業員に通知することが好ましい。折損の発生前にドリル２０の交換などの対策が可能である。また、正常および異常いずれとも判定されない場合もアラームを発することが好ましい。このときのアラームは異常予知の際のアラームと異なってもよいし、同じでもよい。あらかじめ作業員への注意喚起をすることができる。

トルクは例えば不図示のトルクセンサで検出してもよいし、主軸モータ１６の駆動電流などから異常予知装置１０が算出してもよい。トルク波形と比較する異常モードは１つでもよいし、３つ以上でもよい。複数の異常モードの少なくとも１つとの相関値が閾値以上ならば、異常予知装置１０は異常と予知する。また、異常予知装置１０はドリル２０およびワーク２２の種類などに対応した正常モードおよび異常モードの波形を記憶することが好ましい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０異常予知装置
１２制御アンプ
１４操作画面
１６主軸モータ
１８送り軸モータ
２０ドリル（回転刃具）
２２ワーク

Claims

回転刃具がワークに接触した時点から所定時間内における、前記回転刃具のトルク波形を取得するトルク波形取得部と、
前記回転刃具の正常時におけるトルク波形、および異常時におけるトルク波形をあらかじめ記憶している記憶部と、
前記取得されたトルク波形と前記記憶された正常時におけるトルク波形との相関値である第１相関値、および前記取得されたトルク波形と前記異常時におけるトルク波形との相関値である第２相関値を算出する算出部と、
前記第１相関値および前記第２相関値に基づいて前記回転刃具の異常を予知する予知判定部と、を具備する回転刃具の異常予知装置。