JP2019188540A - 判定装置、及び工作機械システム - Google Patents

Abstract

【課題】工具の状態を判定するための情報を検出するセンサが、工作時やツールの交換時に破損し易いという課題があった。【解決手段】判定装置は、工作機械が有する主軸に装着されたツールホルダに装着されている工具の状態を判定する。判定装置は、工作機械に設けられ、主軸が回転しているときに工作機械に生じる振動を検出するセンサを備える。判定装置は、センサにより検出された振動の周波数成分のうち、主軸の回転周波数の周波数成分の振幅を検出する検出部を備えてよい。判定装置は、検出部により検出された振幅、及び、工具の状態を判定するための予め定められた振幅の基準値に基づいて、工具の状態を判定する判定部を備えてよい。【選択図】図２

Description

本発明は、判定装置、及び工作機械システムに関する。

工作機械において、ツールホルダの外周面の変位を測定することによりチャックエラーを検出する技術が知られている（例えば特許文献１−３参照）。
特許文献１ 特開２００４−２７６１４５号公報
特許文献１ 特開２００６−３１５１５８号公報
特許文献１ 特開２００２−２００５４２号公報

ツールホルダの変位を検出するためにセンサをツールホルダの近くに設ける必要があるため、工作時に生じるワークの切り屑がセンサに当たり易くなる。このため、センサが破損し易い。また、ツールの交換時においてもセンサが破損し易い。

第１の態様において、判定装置が提供される。判定装置は、工作機械が有する主軸に装着されたツールホルダに装着されている工具の状態を判定する。判定装置は、工作機械に設けられ、主軸が回転しているときに工作機械に生じる振動を検出するセンサを備える。判定装置は、センサにより検出された振動の周波数成分のうち、主軸の回転周波数の周波数成分の振幅を検出する検出部を備えてよい。判定装置は、検出部により検出された振幅、及び、工具の状態を判定するための予め定められた振幅の基準値に基づいて、工具の状態を判定する判定部を備えてよい。

判定装置は、主軸を複数の回転周波数でそれぞれ回転させる回転制御部を備えてよい。検出部は、複数の回転周波数のそれぞれの周波数成分の振幅を検出してよい。判定部は、検出部により検出された複数の回転周波数のそれぞれの周波数成分の振幅の最大値、及び、予め定められた基準値に基づいて、工具の状態を判定してよい。

判定装置は、複数の工具を識別する情報に対応づけて、それぞれの工具の状態を判定するために主軸を回転させるべき１以上の回転周波数を格納する周波数格納部を備えてよい。判定装置は、ツールホルダに装着されている工具を識別する情報に対応づけて周波数格納部が格納している１以上の回転周波数で、主軸を回転させる回転制御部を備えてよい。検出部は、周波数格納部に格納されている１以上の回転周波数における周波数成分の振幅を検出してよい。判定部は、検出部により検出された１以上の回転周波数における周波数成分の振幅、及び、予め定められた基準値に基づいて、工具の状態を判定してよい。

判定装置は、複数の工具を識別する情報に対応づけて基準値を格納する基準値格納部を備えてよい。判定部は、検出部により抽出された振幅、及び、ツールホルダに装着されている工具を識別する情報に対応づけて基準値格納部に格納されている基準値に基づいて、ツールホルダに装着されている工具の状態を判定してよい。

工作機械は、主軸を環囲し、主軸を回転可能に支持する支持部を有してよい。工作機械は、支持部において主軸に沿ってツールホルダが装着される側の先端部に固定されたヘッド部を有してよい。センサは、ヘッド部に設けられてよい。

判定部は、検出部により検出された振幅と基準値との差が予め定められた閾値以上の場合に、主軸に対する工具及びツールホルダの少なくとも一方の装着状態の異常、又は、工具の刃の異常が生じていると判定してよい。

判定部は、ツールホルダに装着されている工具が回転対称の形状を有しない場合に、検出部により検出された振幅が、基準値から予め定められた閾値を超えて小さい場合に、主軸に対する工具及びツールホルダの少なくとも一方の装着状態の異常、又は、工具の刃の異常が生じていると判定してよい。

判定装置は、ツールホルダが主軸に装着されていない状態で主軸を回転させた場合に検出部により検出された振幅を格納する未装着情報格納部を備えてよい。判定部は、ツールホルダが主軸に装着されている場合に検出部により検出された振幅、未装着情報格納部に格納されている振幅、及び予め定められた振幅の基準値に基づいて、工具の状態を判定してよい。

判定装置は、ツールホルダが主軸に装着された後、工具が被加工物に接触するまでの間に、主軸を回転させて、検出部に主軸の回転周波数の周波数成分の振幅を検出させる判定制御部をさらに備えてよい。

判定制御部は、工具による被加工物の加工が行われた後、工具により次の加工を行うまでの間に、主軸を回転させて、検出部に主軸の回転周波数の周波数成分の振幅を検出させてよい。判定部は、ツールホルダが主軸に装着された後、工具が被加工物に接触するまでの間に検出部により検出された振幅と、工具による被加工物の加工が行われた後、工具により次の加工を行うまでの間に検出部により検出された振幅との差が予め定められた値より大きい場合に、工具の状態に変化が生じたと判定してよい。

第２の形態において、工作機械が有する主軸に装着されているツールホルダの装着状態を判定する判定装置が提供される。判定装置は、工作機械に設けられ、主軸が回転しているときに工作機械に生じる振動を検出するセンサを備えてよい。判定装置は、センサにより検出された振動の周波数成分のうち、主軸の回転周波数の周波数成分の振幅を検出する検出部を備えてよい。判定装置は、検出部により検出された振幅、及び、ツールホルダの装着状態を判定するための予め定められた振幅の基準値に基づいて、主軸に対するツールホルダの装着状態を判定する判定部を備えてよい。

第３の態様において、工作機械システムが提供される。工作機械システムは、上記の判定装置と、工作機械とを備えてよい。

第４の態様において、プログラムが提供される。プログラムは、コンピュータを、上述した判定装置として機能させてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

一実施形態におけるマシニングセンタ１０の構成を概略的に示す。 主軸２２の先端部を、主軸２２に装着されたツールホルダ７０及び工具８０とともに部分的に示す概略図である。 処理装置４０のブロック構成を示す。 センサ５０により検出された振動のパワースペクトルを模式的に示す。 メモリ２８０に格納される制御情報をテーブル形式で示す。 マシニングセンタ１０の動作の制御に関するフローチャートを示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施形態におけるマシニングセンタ１０の構成を概略的に示す。マシニングセンタ１０は、工作機械２０と、工具交換装置３０と、工具マガジン３２と、制御装置６０と、処理装置４０と、センサ５０とを備える。マシニングセンタ１０は、工作機械システムの一例である。工具交換装置３０及び工具マガジン３２は、自動工具交換（ＡＴＣ：オートツールホルダチェンジ）装置として機能する。センサ５０及び処理装置４０は、工具の状態を判定する判定装置として機能する。

工作機械２０は、ワーク９０に対して機械加工を施す。機械加工としては、ドリル加工、フライス加工、施削加工、中ぐり加工等を例示することができる。ワーク９０は、工具８０による被加工物の一例である。

制御装置６０は、制御装置６０に入力されたプログラムに従って、工作機械２０、工具交換装置３０、及び工具マガジン３２を制御する。センサ５０は、工作機械２０に設けられ、工作機械２０に生じる振動を検出する。センサ５０は、例えば加速度センサである。処理装置４０は、工作機械２０、工具交換装置３０及び工具マガジン３２に対する制御情報を制御装置６０から取得するとともに、センサ５０により検出された振動を示すセンサ信号を処理する。

工具マガジン３２は、複数の工具８０を保持する。工具８０としては、ドリル、フライス、バイト、リーマ、タップ、研削砥石、研磨材等を例示することができる。複数の工具８０は、それぞれツールホルダ７０に装着された状態で工具マガジン３２に保持される。

マシニングセンタ１０において、制御装置６０の制御に従って、工具８０が工具マガジン３２から自動的に選択され、主軸２２に自動的に装着される。工具８０の交換は、工具交換装置３０により行われる。具体的には、工具交換装置３０は、工作機械２０の主軸２２から、取り外しの対象となる工具８０が装着されているツールホルダ７０を取り外して、工具マガジン３２に収納する。また、工具交換装置３０は、制御装置６０の制御に従って、工具マガジン３２から、ワーク９０の加工に使用される新たな工具８０が装着されているツールホルダ７０を取り出して、工作機械２０の主軸２２に装着する。

工作機械２０は、工作機械２０の主軸２２に装着されている工具８０により、ワーク９０を加工する。工作機械２０は、制御装置６０による数値制御によってワーク９０を加工する。

工具８０が主軸２２に対して偏心した状態で装着されている場合、主軸２２の回転によって工具８０に振れが生じる。そのため、工具８０が主軸２２に対して偏心した状態でワーク９０を加工すると、ワークの加工精度が低下する場合がある。

マシニングセンタ１０において、工作機械２０には、工作機械２０における振動を検出するセンサ５０が設けられている。処理装置４０は、センサ５０により検出された振動データに基づいて、工具８０の偏心により生じた振れに対応する振動を検出する。処理装置４０は、検出した振動の振幅と基準値とを比較して、工具８０の装着状態を含む工具８０の状態を判定し、判定結果を制御装置６０に出力する。

図２は、主軸２２に装着されたツールホルダ７０及び工具８０並びにセンサ５０の外観とともに、主軸２２の先端部の断面を部分的に示す概略図である。なお、「先端部」とは、特に断らない限り、主軸２２の回転軸に沿う方向において、ツールホルダ７０が装着される側の部分のことを意味する。

工作機械２０は、主軸２２の周りにハウジング部２６と、ハウジング部２６に固定されたヘッド部２８とを有する。ハウジング部２６は、主軸２２を環囲し、主軸２２を回転可能に支持する支持部の一例である。例えば、ハウジング部２６は、ハウジング部２６の内側に設けられたベアリングにより、主軸２２を回転可能に支持する。ヘッド部２８は、ハウジング部２６の先端部に固定されている。

工具８０は、ツールホルダ７０のクランプ部に嵌合することにより、ツールホルダ７０に装着される。ツールホルダ７０は、主軸２２に装着されるテーパ部７４を有する。主軸２２には、ツールホルダ７０を装着するためのテーパ部２４を有する。ツールホルダ７０は、テーパ部７４が主軸２２のテーパ部２４に嵌合した状態で装着される。

加工現場において、例えばツールホルダ７０のテーパ部７４と主軸２２のテーパ部２４との間に切粉が入り込んだ場合、ツールホルダ７０が主軸２２に対して偏心した状態で主軸２２に装着される。このようなチャックエラーが生じると、工具８０が主軸２２に対して偏心した状態となり得る。また、工具８０がツールホルダ７０に対して偏心した状態で装着されている場合も、工具８０が主軸２２に対して偏心した状態となり得る。工具８０が主軸２２に対して偏心した状態で主軸２２を回転させると、工具８０及びツールホルダ７０に振れが生じる。工具８０及びツールホルダ７０に生じた振れは、主軸２２を介してヘッド部２８やハウジング部２６に伝わる。

センサ５０は、ヘッド部２８に取り付けられている。センサ５０は、ボルトや磁石等により、ヘッド部２８に取り付けられている。センサ５０は、例えば、加速度センサである。センサ５０は、主軸２２の回転軸に直交する方向の加速度を、振動として検出して、センサ信号として処理装置４０に出力する。

処理装置４０は、振動センサ５０により検出されたセンサ信号を処理して、ヘッド部２８の振動の周波数成分のうち、主軸２２の回転周波数に合致する周波数成分の振幅を、工具８０の偏心により生じた振動の振幅として検出する。制御装置６０は、検出した振幅と基準値との差が予め定められた閾値以上である場合に、工具８０が主軸２２に対して偏心していると判定して、工具８０の状態が異常である旨を制御装置６０に通知する。

本実施形態のマシニングセンタ１０によれば、工作機械２０に設けたセンサ５０で検出されたセンサ信号から振動を検出することで、工具８０が主軸２２に対して偏心しているか否かを判定する。これにより、ツールホルダ７０の位置を検出するセンサを設ける場合と比較して、ワーク９０から離れた位置にセンサ５０を設けることができる。したがって、ワーク９０を加工する場合に生じる切り屑がセンサ５０に当たりにくいため、ワーク９０の加工時においてセンサ５０が破損しにくい。また、主軸２２に対してツールホルダ７０を装着したり取り外したりする場合においてセンサ５０が破損しにくい。

図３は、処理装置４０のブロック構成を示す。処理装置４０は、センサ５０から取得したセンサ信号に基づき、工作機械２０に装着されたツールホルダ７０に装着されている工具８０の状態を検出する。処理装置４０は、工具８０の状態やワーク９０の加工状態を示す信号を、制御装置６０に出力する。また、処理装置４０は、主軸２２の回転数を制御する信号を、制御装置６０に出力する。

なお、回転数とは、特に断らない限り、予め定められた時間内で主軸２２が回転する回数を意味する。例えば、回転数とは、１分間に主軸２２が回転する回数を意味してよい。また、特に断らない限り、回転周波数とは、回転数から定まる回転の周波数を意味する。具体的には、回転数をＮとすると、回転周波数ｆは１／Ｎである。

処理装置４０は、アンプ２１０と、フィルタ２２０と、Ａ／Ｄコンバータ２３０と、ＣＰＵ２００と、入出力回路２４０と、メモリ２８０とを備える。ＣＰＵ２００は、検出部２０２と、判定部２０４と、回転制御部２０６と、判定制御部２０８とを有する。

アンプ２１０には、センサ５０で検出されたセンサ信号であるアナログ信号が入力される。アンプ２１０は、入力された信号を増幅してフィルタ２２０に出力する。フィルタ２２０は、主軸２２の回転数から定まる回転周波数の整数倍の周波数成分を通過させ、不要な周波数成分を除去してＡ／Ｄコンバータ２３０に出力する。Ａ／Ｄコンバータ２３０は、フィルタ２２０から出力されたアナログ信号をデジタル信号の測定データに変換して、ＣＰＵ２００に出力する。

ＣＰＵ２００は、Ａ／Ｄコンバータ２３０から出力された測定データに基づいて、ツールホルダ７０の状態を示す情報を生成して、入出力回路２４０に出力する。また、ＣＰＵ２００は、主軸２２の回転数を示す信号を生成して、入出力回路２４０を介して制御装置６０に出力する。入出力回路２４０は、ＣＰＵ２００から入力された情報に基づいて制御信号を生成して、制御装置６０に出力する。また、入出力回路２４０は、制御装置６０から、工作機械２０、工具交換装置３０及び工具マガジン３２の制御に関する情報を制御装置６０から取得して、ＣＰＵ２００に出力する。

ＣＰＵ２００において、検出部２０２は、センサ５０により検出された振動の周波数成分のうち、主軸２２の回転周波数の周波数成分の振幅を検出する。検出部２０２は、検出した振幅を判定部２０４に供給する。例えば、検出部２０２は、主軸２２が回転している間にＡ／Ｄコンバータ２３０から出力されるデジタル信号を周波数解析して複数の周波数成分に分解する。検出部２０２は、周波数解析により得られた複数の周波数成分のうち、主軸２２の回転周波数に対応する周波数の周波数成分の振幅を、判定部２０４に供給する。

判定部２０４は、検出部２０２により検出された振幅、及び、工具８０の状態を判定するための予め定められた振幅の基準値に基づいて、工具８０の状態を判定する。例えば、判定部２０４は、検出部２０２により検出された振幅と基準値との差が予め定められた閾値以上の場合に、主軸２２に対する工具８０及びツールホルダ７０の少なくとも一方の装着状態の異常、又は、工具８０の刃の異常が生じていると判定する。このように、判定部２０４は、検出部２０２により検出された振幅が基準値を含む予め定められた範囲外にある場合に工具８０の状態に異常が生じていると判定し、検出部２０２により検出された振幅が基準値を含む予め定められた範囲内にある場合に、工具８０の状態に異常が生じていない判定する。なお、工具８０の状態の異常とは、主軸２２に対する工具８０及びツールホルダ７０の少なくとも一方の装着状態の異常、又は、工具８０の刃の状態の異常を意味してよい。主軸２２に対するツールホルダ７０のチャックエラーは、工具８０及びツールホルダ７０の少なくとも一方の装着状態の異常に含まれる。

回転制御部２０６は、主軸２２を複数の回転周波数でそれぞれ回転させる。検出部２０２は、複数の回転周波数のそれぞれの周波数成分の振幅を検出する。判定部２０４は、検出部２０２により検出された複数の回転周波数のそれぞれの周波数成分の振幅の最大値、及び、予め定められた基準値に基づいて、工具８０の状態を判定する。例えば、判定部２０４は、振幅の最大値が予め定められた基準値を超える場合に、工具８０及びツールホルダ７０の少なくとも一方の装着状態の異常又は工具８０の刃の異常が生じていると判定する。

なお、ツールホルダ７０に装着されている工具８０が回転対称の形状を有しない場合においては、判定部２０４は、検出部２０２により検出された振幅が、基準値から予め定められた閾値を超えて小さい場合に、主軸２２に対する工具８０及びツールホルダ７０の少なくとも一方の装着状態の異常、又は、工具８０の刃の異常が生じていると判定する。

工具８０が回転対称の形状を有しない場合、工具８０及びツールホルダ７０が主軸２２に完全に軸合わせして装着されている場合でも、主軸２２の回転時に振動が生じ得る。回転対称の形状を有しない工具８０を用いる場合、工具８０又はツールホルダ７０の主軸２２に対する偏心状態によっては、振動の振幅が小さくなる場合がある。また、工具８０において刃折れが生じた箇所によっては、振動の振幅が小さくなる場合がある。処理装置４０によれば、検出された振幅が基準値から予め定められた閾値を超えて小さい場合に、工具８０の状態に異常が生じていると判定するので、回転対称の形状を有しない工具８０の異常を正確に判定することができる。

メモリ２８０は、工具８０の状態を判定する場合に用いる情報を格納する。メモリ２８０は、工具８０の状態を判定する場合に主軸２２を回転させる回転周波数を格納する周波数格納部として機能する。

具体的には、メモリ２８０は、複数の工具８０を識別する情報に対応づけて、それぞれの工具８０の状態を判定するために主軸２２を回転させるべき１以上の回転周波数を格納する。回転制御部２０６は、ツールホルダ７０に装着されている工具８０を識別する情報に対応づけて周波数格納部が格納している１以上の回転周波数で、主軸２２を回転させる。検出部２０２は、周波数格納部に格納されている１以上の回転周波数における周波数成分の振幅を検出する。そして、判定部２０４は、検出部２０２により検出された１以上の回転周波数における周波数成分の振幅、及び、予め定められた基準値に基づいて、工具８０の状態を判定する。

例えば、工具８０が主軸２２に対して偏心している場合に生じる振動の大きさは、工具８０毎に異なる場合がある。例えば、工具８０の質量、長さ、重心位置等の違いによって共振条件が工具８０毎に異なると、工具８０の偏心によって大きな振動が生じる周波数は、工具８０毎に異なり得る。処理装置４０によれば、大きな振動が生じさせることができる回転周波数を工具８０毎にメモリ２８０に予め格納し、工具８０の状態を判定する際に、メモリ２８０に格納されている回転周波数で主軸２２を回転させる。これにより、振幅の検出精度を高めることができる。

また、メモリ２８０は、工具８０の状態を判定するための基準値を格納する基準値格納部として機能する。具体的には、メモリ２８０は、複数の工具８０を識別する情報に対応づけて基準値を格納する。判定部２０４は、検出部２０２により抽出された振幅、及び、ツールホルダ７０に装着されている工具８０を識別する情報に対応づけてメモリ２８０に格納されている基準値に基づいて、ツールホルダ７０に装着されている工具８０の状態を判定する。

例えば、工具８０の軸方向の長さが長いほど、回転時における工具８０の先端部の振れ幅が大きくなる。そのため、工具８０の軸方向の長さが長いほど、小さい基準値を適用して判定することが好ましい場合がある。また、上述したように、回転対称でない工具８０を用いる場合、主軸２２に対して偏心して装着されることで振動の振幅が小さくなる場合も有り得る。処理装置４０によれば、工具８０毎に適した基準値をメモリ２８０に予め格納し、メモリ２８０から工具８０毎の基準値を読み出して判定部２０４の判定に用いることができるので、工具８０の状態をより正確に判定することができる。

メモリ２８０は、ツールホルダ７０が主軸２２に装着されていない状態で主軸２２を回転させた場合に検出部２０２により検出された振幅を格納する。例えば、工具８０を交換する場合に、主軸２２から工具８０を取り外した後、主軸２２に新たに他の工具８０を装着するまでの間に、主軸２２に新たに装着する工具８０の状態判定を行うための回転周波数で主軸２２を回転させ、検出部２０２により検出された振幅をメモリ２８０に格納する。判定部２０４は、ツールホルダ７０が主軸２２に装着されている場合に検出部２０２により検出された振幅、メモリ２８０に格納されている振幅、及び予め定められた振幅の基準値に基づいて、工具８０の状態を判定する。

一例として、判定部２０４は、検出部２０２により検出された振幅とメモリ２８０に格納されているツールホルダ非装着状態における振幅との差と、基準値との差が閾値を超えている場合に、工具８０の状態に異常が生じていると判定する。例えば、ツールホルダ７０が装着されていない状態においても、主軸２２の回転により振動が生じる場合がある。処理装置４０によれば、ツールホルダ７０が主軸２２に装着されていない状態における振幅をメモリ２８０に保持することで、工具８０やツールホルダ７０以外の要因で生じる振動が、工具８０の状態の判定結果に影響を与えることを抑制することができる。

判定制御部２０８は、ツールホルダ７０が主軸２２に装着された後、工具８０がワーク９０に接触するまでの間に、主軸２２を回転させて、検出部２０２に主軸２２の回転周波数の周波数成分の振幅を検出させる。例えば、判定制御部２０８は、工具８０がワーク９０に向かって移動している間に、主軸２２の回転周波数の周波数成分の振幅を検出部２０２に検出させる。これにより、工具８０の状態判定に要する時間を削減することができる。

判定制御部２０８は、工具８０によるワーク９０の加工が行われた後、工具８０により次の加工を行うまでの間に、主軸２２を回転させて、検出部２０２に主軸２２の回転周波数の周波数成分の振幅を検出させる。判定部２０４は、ツールホルダ７０が主軸２２に装着された後、工具８０がワーク９０に接触するまでの間に検出部２０２により検出された振幅と、工具８０によるワーク９０の加工が行われた後、工具８０により次の加工を行うまでの間に検出部２０２により検出された振幅との差が予め定められた値より大きい場合に、工具８０の状態に変化が生じたと判定する。判定制御部２０８によれば、ワーク９０の加工前後における振幅の差が予め定められた値より大きい場合に、工具８０の状態に変化が生じたと判定する。

例えば、判定部２０４は、ワーク９０の加工前後における振幅の差が予め定められた値より大きい場合に、工具８０の調整が必要である旨の情報を、入出力回路２４０を通じて制御装置６０に送信してよい。また、判定制御部２０８は、ワーク９０の加工前後における振幅の差が予め定められた値より大きい場合に、工具８０により加工されたワーク９０が不良品である旨の情報を、入出力回路２４０を通じて制御装置６０に出力してよい。このように、工具８０の加工前後の振動状態の変化に基づいて、工具８０による加工が適切であったか否かを判定することができる。

本実施形態では主として、処理装置４０が工具８０の状態を判定する場合の動作を説明する。しかし、処理装置４０の動作は、主軸２２へのツールホルダ７０の装着状態を判定してよい。例えば、ツールホルダ７０に工具８０が装着されているか否かにかかわらず、判定部２０４は、検出部２０２により検出された振幅、及び、ツールホルダ７０の装着状態を判定するための予め定められた振幅の基準値に基づいて、主軸２２に対するツールホルダ７０の装着状態を判定してよい。

なお、処理装置４０の少なくとも一部は、コンピュータにより実現され得る。メモリ２８０は、不揮発性メモリ及び揮発性メモリにより構成され、ＣＰＵ２００が実行するプログラムを格納する。ＣＰＵ２００は、メモリ２８０に格納されているプログラムに従って、処理装置４０の各部を制御する。プログラムは、ＣＰＵ２００によって実行された場合に、ＣＰＵ２００を、検出部２０２、判定部２０４、回転制御部２０６、及び判定制御部２０８として機能させる。

図４は、センサ５０により検出された振動のパワースペクトルを模式的に示す。図４に示すパワースペクトルは、検出部２０２において測定データをＦＦＴ解析することにより得られる。

ＦＦＴ解析により得られた振動の周波数成分には、主要な周波数成分として、主軸２２の回転数Ｎから定まる回転周波数ｆ（＝１／Ｎ）の整数倍の周波数成分が含まれる。例えば、周波数ｆ、周波数２ｆ、周波数３ｆ・・・の周波数成分が、主要な周波数成分として含まれる。これらの周波数成分のうち、周波数ｆの周波数成分の振幅が、主軸２２に対する工具８０の偏心量に比例するとみなすことができる。検出部２０２は、ＦＦＴ解析により得られた複数の周波数成分のうち、周波数ｆの周波数成分の振幅Ａを算出する。算出した振幅Ａと、メモリ２８０に予め格納されている基準値Ｔｈとを比較して、工具８０の状態を判定する。メモリ２８０に格納される基準値については、図５に関連して具体的に説明する。

なお、工具８０の偏心量は、主軸２２を回転させた場合に生じる、主軸２２の回転軸に対する工具８０の先端部までの最大変位を指標とした値であってよい。また、工具８０の偏心量は、主軸２２を回転させた場合に生じる、主軸２２の回転軸に対する工具８０及びツールホルダ７０の重心位置までの最大変位を指標とした値であってよい。偏心量として、主軸２２を回転させた場合に生じる工具８０の振れを表する他の様々な指標を適用してよい。

図５は、メモリ２８０に格納される制御情報をテーブル形式で示す。制御情報は、工具ＩＤ、回転数、偏心量、及び基準値を含む。「工具ＩＤ」は、工具８０を識別する識別情報である。「回転数」は、工具８０の状態を判定するために主軸２２を回転させる回転数を示す情報である。一例として、「回転数」には、主軸２２を回転させる回転数の範囲が格納される。

「偏心量」は、主軸２２に対する工具８０の偏心量を示す。「偏心量」は、工具８０において許容される偏心量を示す。「偏心量」は、工具ＩＤに対応づけて１以上格納されてよい。「基準値」は、偏心量に対応する基準値である。「基準値」は、偏心量に対応づけて１以上格納されてよい。

処理装置４０は、メモリ２８０に格納されている制御情報を用いて、工具８０の状態を判定するための制御を行う。例えば、一例として、工具ＩＤがＴ１の工具８０が装着されて、偏心量としてＥ１を許容する場合に、判定部２０４は、回転数Ｎ１〜Ｎ２の範囲に含まれる回転数で主軸２２を回転させている間に検出部２０２により検出された振幅が基準値Ｔｈ１を含む予め定められた範囲外にある場合に、工具８０の状態が異常と判定する。また、偏心量としてＥ１より大きいＥ２を許容する場合に、判定部２０４は、回転数Ｎ１〜Ｎ２の範囲に含まれる回転数で主軸２２を回転させている間に検出部２０２により検出された振幅が、基準値Ｔｈ１及びＴｈ２を含む予め定められた範囲外にある場合に、工具８０の状態が異常と判定する。

なお、「回転数」として回転数の範囲が格納されている場合、回転制御部２０６は、格納されている範囲に含まれる複数の回転数で順に主軸２２を回転させ、検出部２０２は、主軸２２がそれぞれの回転数で回転されている状態で、それぞれ振動の振幅を検出し、判定部２０４は、検出部２０２により検出された複数の振幅のうちの最大の振幅を、閾値と比較してよい。例えば、工具ＩＤがＴ１の工具８０が装着され、偏心量としてＥ１を許容する場合に、回転制御部２０６は、Ｎ１〜Ｎ２に含まれるｎ１、ｎ２、及びｎ３の順で主軸２２を回転させる。この場合、検出部２０２は、主軸２２がｎ１で回転されている状態で得られたセンサ信号から、ｎ１から定まる周波数の周波数成分の振幅Ａ１を検出し、主軸２２がｎ２で回転されている状態で得られたセンサ信号から、ｎ２から定まる周波数の周波数成分の振幅Ａ２を検出し、主軸２２がｎ３で回転されている状態で得られたセンサ信号から、ｎ３から定まる周波数の周波数成分の振幅Ａ３を検出する。判定部２０４は、Ａ１、Ａ２及びＡ３のうちの最大の振幅が、閾値Ｔｈ１を含む予め定められた範囲外にある場合に、工具８０の状態が異常と判定する。

「回転数」として回転数の範囲が格納されている場合、回転制御部２０６は、「回転数」の範囲内で主軸２２の回転数をスイープさせてよい。この場合、検出部２０２は、スイープ期間に含まれる複数の期間のそれぞれにおける振動の振幅を検出し、判定部２０４は、検出部２０２により検出された複数の振幅のうちの最大の振幅を、閾値と比較してよい。例えば、工具ＩＤがＴ１の工具８０が装着され、偏心量としてＥ１を許容する場合に、回転制御部２０６は、主軸２２の回転数をＮ１からＮ２にスイープさせる。この場合、検出部２０２は、スイープ期間に含まれる期間Ｔ１、期間Ｔ２、期間Ｔ３のそれぞれにおいて得られたセンサ信号から、それぞれ期間Ｔ１における主軸２２の実効回転数から定まる周波数の周波数成分の振幅Ａ１と、期間Ｔ２における主軸２２の実効回転数から定まる周波数の周波数成分の振幅Ａ２と、期間Ｔ３における主軸２２の実効回転数から定まる周波数の周波数成分の振幅Ａ３とを検出する。判定部２０４は、Ａ１、Ａ２及びＡ３のうちの最大の振幅が、閾値Ｔｈ１を含む予め定められた範囲外にある場合に、工具８０の状態が異常と判定する。

なお、「回転数」として、複数の回転数を示す情報を格納してよい。この場合、回転制御部２０６は、格納されている複数の回転数で順に主軸２２を回転させればよい。そして、上述したように、検出部２０２は、主軸２２がそれぞれの回転数で回転されている状態で、それぞれ振動の振幅を検出し、判定部２０４は、検出部２０２により検出された複数の振幅のうちの最大の振幅を、閾値と比較してよい。

なお、制御情報に含まれる「回転数」、「偏心量」及び「基準値」として、工具８０毎に実測することにより得られた値を用いてよい。例えば、工具８０を意図的に偏心させて主軸２２に装着した状態で偏心量を測定するとともに、主軸２２を様々な回転数で回転させて、振幅が最大となる回転数と、当該最大の振幅とを取得する。これにより、振幅が最大となる回転数、当該最大の振幅、及び測定された偏心量を、それぞれ「回転数」、「基準値」及び「偏心量」として制御情報に格納する。

制御情報に含まれる「回転数」、「基準値」及び「偏心量」を工具８０毎に実測する手法以外の手法として、シミュレーションにより算出する手法、少数の基準工具の実測により結果を近似的に使用する手法、基準工具の実測から得られたモデルとシミュレーションとを組み合わせる手法等を例示することができる。また、複数の工具８０のうち偏心量について厳しい要件が課される少数の工具８０について基準値を実測し、得られた基準値のうち、偏心の有無の判定条件として最も厳しい基準値を、他の工具８０の基準値として一律に適用してもよい。

図６は、マシニングセンタ１０の動作の制御に関するフローチャートを示す。このフローチャートは、主軸２２に装着されている工具８０を交換しようとするタイミングからの動作に関するフローチャートである。

Ｓ６０２において、制御装置６０は、工具交換装置３０及び工具マガジン３２を制御して、交換される工具８０が装着されたツールホルダ７０を、主軸２２から取り外して、工具マガジン３２に収納する。処理装置４０は、主軸２２からツールホルダ７０が取り外されたことを示す信号を受信すると、Ｓ６０４において、回転制御部２０６はツールホルダ７０が装着されていない状態で主軸２２を回転させるとともに、検出部２０２により振動が検出され、検出された振幅を示す情報がメモリ２８０に格納される。

Ｓ６０６において、制御装置６０は、工具交換装置３０及び工具マガジン３２を制御して、工具マガジン３２から新たな工具８０が装着されたツールホルダ７０を取り出して、主軸２２に装着する。制御装置６０は、新たな工具８０のツールホルダ７０を主軸２２に装着すると、主軸２２を含む移動機構を回転軸方向に沿って移動させて、工具８０をワーク９０に向けて移動させる。

処理装置４０は主軸２２に新たな工具８０のツールホルダ７０が装着されたことを示す信号を受信すると、Ｓ６０８において、回転制御部２０６は、判定制御部２０８の制御に従って、ツールホルダ７０が装着された状態で主軸２２を回転させる旨の信号を制御装置６０に出力して、検出部２０２が振動の振幅を検出し、検出された振幅を示す情報をメモリ２８０に格納する。ここで、図６等に関連して説明したように、回転制御部２０６は、メモリ２８０に格納されている制御情報を参照して、工具８０に対応づけられた回転数で主軸２２を回転させ、検出部２０２は、主軸２２の回転数から定まる周波数の周波数成分の振幅を検出する。

なお、Ｓ６０８において、検出部２０２は、センサ５０から得られたセンサ信号のＦＦＴ解析より算出された振幅を、Ｓ６０４で検出された振幅に基づく補正値で補正した値を、ツールホルダ７０が装着されている場合の振動の振幅として検出してよい。例えば、検出部２０２は、センサ信号のＦＦＴ解析より算出された振幅から、Ｓ６０４で検出された振幅に予め定められた係数を乗じた振幅を減算した値を、ツールホルダ７０が装着されている場合の振動の振幅として検出してよい。

Ｓ６１０において、判定部２０４は、Ｓ６０８で検出された振幅が、基準値を含む予め定められた範囲内であるか否かを判断する。図６等に関連して説明したように、判定部２０４は、メモリ２８０に格納されている制御情報を参照して、工具８０及び許容偏心量に対応づけられた基準値を用いる。なお、許容偏心量は、予め定められた固定値であってよいし、ワーク９０毎に定められた値であってよい。許容偏心量は、処理装置４０に予め入力され、メモリ２８０に格納されていてよい。なお、Ｓ６０８及びＳ６１０の動作は、Ｓ６０６の後、工具８０がワーク９０に接触するまでの移動期間中に行われる。

Ｓ６１０の判断において、Ｓ６０８で検出された振幅が、基準値を含む予め定められた範囲内である場合、Ｓ６１２において、制御装置６０は、工具８０を用いてワーク９０を加工する。工具８０によるワーク９０の加工の一工程が完了すると、Ｓ６１４において、制御装置６０は、主軸２２を軸方向に移動させて、ワーク９０から工具８０を外す。

処理装置４０は工具８０がワーク９０から外れたことを示す信号を受信すると、Ｓ６１６において、回転制御部２０６は、判定制御部２０８の制御に従って、ワーク９０から工具８０が外れた状態で、主軸２２を回転させる旨の信号を制御装置６０に出力し、検出部２０２が振動の振幅を検出する。

Ｓ６１８において、判定部２０４は、Ｓ６０８で検出された振幅とＳ６１６で検出された振幅との差が予め定められた値以上であるか否かを判断する。Ｓ６０８で検出された振幅とＳ６１６で検出された振幅との差が予め定められた値未満である場合、Ｓ６２０において、制御装置６０はワーク９０の加工が終了したか否かを判断する。ワーク９０の加工を終了する場合、本フローチャートの動作を終了する。ワーク９０の加工を終了しない場合、Ｓ６２２において、ワーク９０の加工に用いる工具８０を交換するか否かを判断する。工具８０を交換する場合、Ｓ６０２に処理を移行する。工具８０を交換しない場合、Ｓ６１２に処理を移行し、工具８０を用いた加工を継続する。

本フローチャートのＳ６１０の判断において、Ｓ６０８で検出された振幅が、基準値を含む予め定められた範囲内にない場合、Ｓ６３０において、判定部２０４は工具８０の状態を異常と判定して、工具８０の状態が異常である旨を示す信号を、入出力回路２４０を通じて制御装置６０に出力する。また、本フローチャートのＳ６１８の判断において、Ｓ６０８で検出された振幅とＳ６１６で検出された振幅との差が予め定められた値以上の場合、Ｓ６４０において、処理装置４０は、入出力回路２４０を通じて、ワーク９０が不良品である可能性があることを制御装置６０に通知する。

以上に説明したように、マシニングセンタ１０によれば、工具８０を交換する度に、ワーク９０を加工する前に、工具８０の状態の異常を判定することができる。そのため、不良品の発生確率を低減することができる。

また、センサ５０は、ヘッド部２８等の工作機械２０の振動を検出するので、ツールホルダ７０や工具８０自体を検出する場合に比べて、センサ５０を工具８０から離して設置することができる。そのため、ワーク９０の加工時やツールホルダ７０の交換時にセンサ５０が破損しにくい。これにより、センサ５０が故障する確率を低減することができ、ひいては、工具８０の状態を誤検出する確率を低減することができる。また、センサ５０を工具８０から離して設置することができるので、工具８０の装着状態を判定するための構造が複雑になることもない。

また、工具８０の偏心による振動を検出する場合に、工具８０毎に適切な回転数で回転させ、当該回転数に対応する周波数成分の振幅と、工具８０及び許容偏心量に対応する基準値とを用いて工具８０の状態を判定する。そのため、工具８０の状態をより正確に判定することができる。このように、マシニングセンタ１０によれば、簡単かつ確実に工具８０の状態を検出することができ、ひいては、不良品の発生確率を低減することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ マシニングセンタ
２０ 工作機械
２２ 主軸
２４ テーパ部
２６ ハウジング部
２８ ヘッド部
３０ 工具交換装置
３２ 工具マガジン
４０ 処理装置
５０ センサ
６０ 制御装置
７０ ツールホルダ
７４ テーパ部
８０ 工具
９０ ワーク
２００ ＣＰＵ
２０２ 検出部
２０４ 判定部
２０６ 回転制御部
２０８ 判定制御部
２１０ アンプ
２２０ フィルタ
２３０ Ａ／Ｄコンバータ
２４０ 入出力回路
２８０ メモリ

Claims (12)

1. 工作機械が有する主軸に装着されたツールホルダに装着されている工具の状態を判定する判定装置であって、
   前記工作機械に設けられ、前記主軸が回転しているときに前記工作機械に生じる振動を検出するセンサと、
   前記センサにより検出された振動の周波数成分のうち、前記主軸の回転周波数の周波数成分の振幅を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された振幅、及び、前記工具の状態を判定するための予め定められた振幅の基準値に基づいて、前記工具の状態を判定する判定部と
   を備える判定装置。
2. 前記主軸を複数の回転周波数でそれぞれ回転させる回転制御部
   をさらに備え、
   前記検出部は、前記複数の回転周波数のそれぞれの周波数成分の振幅を検出し、
   前記判定部は、前記検出部により検出された前記複数の回転周波数のそれぞれの周波数成分の振幅の最大値、及び、前記予め定められた基準値に基づいて、前記工具の状態を判定する
   請求項１に記載の判定装置。
3. 複数の工具を識別する情報に対応づけて、それぞれの工具の状態を判定するために前記主軸を回転させるべき１以上の回転周波数を格納する周波数格納部と、
   前記ツールホルダに装着されている前記工具を識別する情報に対応づけて前記周波数格納部が格納している１以上の回転周波数で、前記主軸を回転させる回転制御部と、
   をさらに備え、
   前記検出部は、前記周波数格納部に格納されている１以上の回転周波数における周波数成分の振幅を検出し、
   前記判定部は、前記検出部により検出された１以上の回転周波数における周波数成分の振幅、及び、前記予め定められた基準値に基づいて、前記工具の状態を判定する
   請求項１に記載の判定装置。
4. 複数の工具を識別する情報に対応づけて基準値を格納する基準値格納部
   をさらに備え、
   前記判定部は、前記検出部により抽出された振幅、及び、前記ツールホルダに装着されている前記工具を識別する情報に対応づけて前記基準値格納部に格納されている基準値に基づいて、前記ツールホルダに装着されている前記工具の状態を判定する
   請求項１から３のいずれか一項に記載の判定装置。
5. 前記工作機械は、
   前記主軸を環囲し、前記主軸を回転可能に支持する支持部と、
   前記支持部において前記主軸に沿って前記ツールホルダが装着される側の先端部に固定されたヘッド部と
   を有し、
   前記センサは、前記ヘッド部に設けられる
   請求項１から４のいずれか一項に記載の判定装置。
6. 前記判定部は、前記検出部により検出された振幅と前記基準値との差が予め定められた閾値以上の場合に、前記主軸に対する前記工具及び前記ツールホルダの少なくとも一方の装着状態の異常、又は、前記工具の刃の異常が生じていると判定する
   請求項１から５のいずれか一項に記載の判定装置。
7. 前記判定部は、前記ツールホルダに装着されている前記工具が回転対称の形状を有しない場合に、前記検出部により検出された振幅が、前記基準値から予め定められた閾値を超えて小さい場合に、前記主軸に対する前記工具及び前記ツールホルダの少なくとも一方の装着状態の異常、又は、前記工具の刃の異常が生じていると判定する
   請求項１から５のいずれか一項に記載の判定装置。
8. 前記ツールホルダが前記主軸に装着されていない状態で前記主軸を回転させた場合に前記検出部により検出された振幅を格納する未装着情報格納部
   をさらに備え、
   前記判定部は、前記ツールホルダが前記主軸に装着されている場合に前記検出部により検出された振幅、前記未装着情報格納部に格納されている振幅、及び前記予め定められた振幅の基準値に基づいて、前記工具の状態を判定する
   請求項１から７のいずれか一項に記載の判定装置。
9. 前記ツールホルダが前記主軸に装着された後、前記工具が被加工物に接触するまでの間に、前記主軸を回転させて、前記検出部に前記主軸の回転周波数の周波数成分の振幅を検出させる判定制御部
   をさらに備える請求項１から８のいずれか一項に記載の判定装置。
10. 前記判定制御部は、前記工具による前記被加工物の加工が行われた後、前記工具により次の加工を行うまでの間に、前記主軸を回転させて、前記検出部に前記主軸の回転周波数の周波数成分の振幅を検出させ、
    前記判定部は、前記ツールホルダが前記主軸に装着された後、前記工具が前記被加工物に接触するまでの間に前記検出部により検出された振幅と、前記工具による前記被加工物の加工が行われた後、前記工具により次の加工を行うまでの間に前記検出部により検出された振幅との差が予め定められた値より大きい場合に、前記工具の状態に変化が生じたと判定する
    請求項９に記載の判定装置。
11. 工作機械が有する主軸に装着されているツールホルダの装着状態を判定する判定装置であって、
    前記工作機械に設けられ、前記主軸が回転しているときに前記工作機械に生じる振動を検出するセンサと、
    前記センサにより検出された振動の周波数成分のうち、前記主軸の回転周波数の周波数成分の振幅を検出する検出部と、
    前記検出部により検出された振幅、及び、前記ツールホルダの装着状態を判定するための予め定められた振幅の基準値に基づいて、前記主軸に対する前記ツールホルダの装着状態を判定する判定部と
    を備える判定装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の判定装置と、
    前記工作機械と
    を備える工作機械システム。

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