JP2023154805A - 工具摩耗検出装置、工具摩耗検出方法および工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】工具の摩耗や損傷を精度良く検出するための技術を提供する。【解決手段】工具摩耗検出装置は、複数の刃を有する工具の回転により切削加工を施される工作物に複数の刃のそれぞれが接触することで生じる物理量を検出するセンサから出力される、物理量に応じた信号を取得する信号取得部と、信号に対してフーリエ変換を施すことによって信号の周波数スペクトルを生成し、周波数スペクトルの絶対値の冪乗に対して逆フーリエ変換を施すことによって関数を生成する関数生成部と、上記関数を解析することによって、工具が摩耗したか否かを判定する判定部と、を備える。関数生成部は、周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を、０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定可能に構成されている。【選択図】図４

Description

本開示は、工具摩耗検出装置、工具摩耗検出方法および工作機械に関する。

特許文献１には、複数の刃を備える工具によって切削加工を実行したときの切削力の波形を取得し、当該波形ｘ（ｔ）と、当該波形を一刃分の周期τだけずらした波形ｘ（ｔ＋τ）との自己相関関数が小さくなることで、工具の異常を検出する技術が開示されている。

特開昭６１－１９２４４９号公報

上述した技術では、波形ｘ（ｔ）と当該波形を一刃分の周期τだけずらした波形ｘ（ｔ＋τ）の両方を用いるので、ＣＰＵやメモリの負担が大きい。また、上述した技術では、工具の異常時には自己相関関数が小さくなるので、ノイズとの区別がつきにくい。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、工具摩耗検出装置が提供される。この工具摩耗検出装置は、複数の刃を有する工具の回転により切削加工を施される工作物に前記複数の刃のそれぞれが接触することで生じる物理量を検出するセンサから出力される、前記物理量に応じた信号を取得する信号取得部と、前記信号に対して高速フーリエ変換を施すことによって前記信号の周波数スペクトルを生成し、前記周波数スペクトルの絶対値の冪乗に対して逆高速フーリエ変換を施すことによって関数を生成する関数生成部と、前記関数を解析することによって、前記工具が摩耗したか否かを判定する判定部と、を備える。前記関数生成部は、前記周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を、０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定可能に構成されている。
この形態の工具摩耗検出装置によれば、判定部は、関数生成部によって生成された関数を用いて、工具の各刃の摩耗や損傷の差異を検出できる。さらに、関数生成部は、周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定可能に構成されているので、冪指数を調整することによってノイズの影響を小さくできるので、判定部による工具の各刃の摩耗や損傷の差異の検出精度を高めることができる。
（２）上記形態の工具摩耗検出装置は、前記冪指数を設定するための操作を受け付ける入力装置を備え、前記関数生成部は、前記入力装置に対する操作に応じて前記冪指数を設定してもよい。
この形態の工具摩耗検出装置によれば、ユーザは、入力装置を介して、所望の冪指数を設定できる。
（３）上記形態の工具摩耗検出装置において、前記関数生成部は、前記工具の回転周期に対応する位置を含む複数の位置にピークを有する前記関数を生成し、前記判定部は、前記複数の刃のピークの近傍を通る近似直線を生成し、摩耗が進んだ刃のピーク値と前記近似直線との差異の大きさが、前記冪指数ごとに予め定められた閾値を超えた場合に、前記工具が摩耗したと判定してもよい。
この形態の工具摩耗検出装置によれば、工具回転周期に対応する位置でのピーク値と近似直線とを比較することによって、工具の各刃の摩耗や損傷の差異を精度良く検出できる。
（４）上記形態の工具摩耗検出装置において、前記関数生成部は、前記差異の大きさが前記閾値よりも小さい予め定められた基準値以下である場合には、前記冪指数を小さくして前記関数を再生成してもよい。
この形態の工具摩耗検出装置によれば、工具の各刃の摩耗や損傷の差異の検出精度を自動で調整できる。
（５）上記形態の工具摩耗検出装置は、前記判定部によって前記工具が摩耗したと判定された場合に、警報を発する警報装置を備えてもよい。
この形態の工具摩耗検出装置によれば、工具に摩耗や損傷が生じたことをユーザに報知できる。
（６）本開示の第２の形態によれば、工具摩耗検出方法が提供される。この工具摩耗検出方法は、複数の刃を有する工具の回転により切削加工を施される工作物に前記複数の刃のそれぞれが接触することで生じる物理量を検出するセンサから出力される、前記物理量に応じた信号を取得する信号取得工程と、前記信号に対して高速フーリエ変換を施すことによって前記信号の周波数スペクトルを生成し、前記周波数スペクトルの絶対値の冪乗に対して逆高速フーリエ変換を施すことによって関数を生成する関数生成工程と、前記関数を解析することによって、前記工具が摩耗したか否かを判定する判定工程と、を有する。前記関数生成工程では、前記周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を、０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定する。
この形態の工具摩耗検出方法によれば、関数生成工程において生成された関数を用いて、工具の各刃の摩耗や損傷の差異を検出できる。さらに、関数生成工程において、周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定できるので、冪指数を調整することによってノイズの影響を小さくできるので、工具の各刃の摩耗や損傷の差異の検出精度を高めることができる。
（７）本開示の第３の形態によれば、工作機械が提供される。この工作機械は、複数の刃を有する工具が装着される主軸を有し、前記主軸に装着された前記工具を回転させる主軸装置と、前記工具の回転により切削加工を施される工作物が固定されるテーブルを有し、前記主軸に装着された前記工具に対して、前記テーブルに固定された前記工作物を相対移動させる移動装置と、前記主軸装置と前記移動装置とを制御する制御装置と、前記工作物に前記複数の刃のそれぞれが接触することで生じる物理量を検出するセンサと、を備える。前記制御装置は、前記センサから出力される、前記物理量に応じた信号を取得する信号取得部と、前記信号に対して高速フーリエ変換を施すことによって前記信号の周波数スペクトルを生成し、前記周波数スペクトルの絶対値の冪乗に対して逆高速フーリエ変換を施すことによって関数を生成する関数生成部と、前記関数を解析することによって、前記工具が摩耗したか否かを判定する判定部と、を有し、前記関数生成部は、前記周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を、０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定可能に構成されている。
この形態の工作機械によれば、判定部は、関数生成部によって生成された関数を用いて、工具の各刃の摩耗や損傷の差異を検出できる。さらに、関数生成部は、周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定可能に構成されているので、冪指数を調整することによってノイズの影響を小さくできるので、判定部による工具の各刃の摩耗や損傷の差異の検出精度を高めることができる。
本開示は、工具摩耗検出装置や、工具摩耗検出方法や、工作機械以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、工具摩耗検出システムや、工作機械の制御装置等の形態で実現することができる。

第１実施形態の工作機械の概略構成を示す斜視図。 第１実施形態の制御装置の機能構成を示す説明図。 工具の先端部に設けられた複数の刃を示す断面図。 工具摩耗検出処理の内容を示すフローチャート。 センサから出力される信号の波形を示す説明図。 周波数スペクトルを示す説明図。 周波数スペクトルの絶対値の２．０乗を示す説明図。 冪指数が２．０のときの摩耗検出用関数を示す説明図。 周波数スペクトルの絶対値の１．０乗を示す説明図。 冪指数が１．０のときの摩耗検出用関数を示す説明図。 周波数スペクトルの絶対値の０．５乗を示す説明図。 冪指数が０．５のときの摩耗検出用関数を示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における工作機械１１の概略構成を示す斜視図である。本実施形態では、工作機械１１は、立型マシニングセンタである。工作機械１１は、互いに直交する３つの座標軸であるＸ，Ｙ，Ｚ軸を有している。本実施形態では、Ｘ軸は工作機械１１の左右方向に沿った座標軸であり、Ｚ軸は工作機械１１の前後方向に沿った座標軸であり、Ｙ軸は工作機械１１の上下方向に沿った座標軸である。

工作機械１１は、主軸装置１００と、移動装置２００と、センサ３００と、制御装置４００とを備えている。主軸装置１００は、主軸１１０と、主軸モータ１１５と、回転角検出器１２０とを備えている。主軸１１０には、工具ＴＬが装着される。後述するように、工具ＴＬは、先端部に複数の刃を有している。本実施形態では、工具ＴＬは、エンドミルである。主軸モータ１１５には、例えば、サーボモータや、ビルトインモータを用いることができる。回転角検出器１２０には、例えば、ロータリエンコーダを用いることができる。

主軸装置１００は、主軸モータ１１５によって、Ｙ軸に平行な回転軸ＲＸを中心にして、主軸１１０を回転させる。主軸１１０の回転に伴って、主軸１１０に装着された工具ＴＬが回転軸ＲＸを中心にして回転する。回転角検出器１２０は、主軸１１０の回転角度、換言すれば、工具ＴＬの回転角度を検出する。回転角検出器１２０によって検出された回転角度を表す信号は、制御装置４００に送信される。

移動装置２００は、サドル２２０と、テーブル２３０とを備えている。テーブル２３０には、工作物ＷＫが固定される。移動装置２００は、主軸１１０に装着された工具ＴＬに対して、テーブル２３０に固定された工作物ＷＫを相対移動させる。後述するように、工作物ＷＫは、工具ＴＬによって切削加工を施される。

本実施形態では、ベッド２１０の上面には、Ｚ軸に沿って第１レール２１５が設けられている。第１レール２１５の上には、サドル２２０が配置されている。サドル２２０の上面には、Ｘ軸に沿って第２レール２２５が設けられている。第２レール２２５の上には、テーブル２３０が配置されている。ベッド２１０およびサドル２２０には、それぞれ、図示されていないサーボモータおよびボールネジが設けられている。ベッド２１０は、第１レール２１５によってサドル２２０をガイドしつつ、サーボモータおよびボールネジによってサドル２２０をＺ軸に沿って移動させる。サドル２２０の移動に伴って、テーブル２３０および工作物ＷＫが移動する。サドル２２０は、第２レール２２５によってテーブル２３０をガイドしつつ、サーボモータおよびボールネジによってテーブル２３０をＸ軸に沿って移動させる。テーブル２３０の移動に伴って、工作物ＷＫが移動する。

本実施形態では、コラム２４０は、ベッド２１０の上面に固定されている。コラム２４０の側面には、Ｙ軸に沿って第３レール２４５が設けられている。第３レール２４５には、主軸装置１００が接続されている。コラム２４０には、図示されていないサーボモータおよびボールネジが設けられている。コラム２４０は、第３レール２４５によって主軸装置１００をガイドしつつ、サーボモータおよびボールネジによって主軸装置１００をＹ軸に沿って移動させる。

センサ３００は、工具ＴＬの各刃が工作物ＷＫに切り込むことで生じる物理量を検出する。工具ＴＬの各刃が工作物ＷＫに切り込むことで生じる物理量とは、例えば、工具ＴＬあるいは工作物ＷＫの振動の加速度や、切削音や、工具ＴＬを回転させる主軸モータ１１５の負荷電流のことを意味する。切削音には、可聴音だけではなく、超音波が含まれる。センサ３００には、切削音を検出するマイクロフォンや超音波マイクが用いられることが好ましい。超音波マイクは環境音の影響を受けにくいので、超音波マイクがセンサ３００として用いられることが特に好ましい。センサ３００には、工具ＴＬあるいは工作物ＷＫの振動の加速度を検出する加速度センサや、ＡＥ波を検出するＡＥセンサが用いられてもよい。工具ＴＬが大型で且つ低速で回転する場合には、センサ３００には、工具ＴＬを回転させる主軸モータ１１５の負荷電流を検出する電流センサが用いられてもよい。本実施形態では、センサ３００として、マイクロフォンが用いられる。センサ３００によって検出された物理量の大きさを表す信号は、制御装置４００に送信される。

制御装置４００は、ＣＰＵ４０１と、メモリ４０２と、入出力インターフェース４０３とを備えたコンピュータとして構成されている。さらに、本実施形態では、制御装置４００は、入力装置４０４と、表示装置４０５と、警報装置４０６とを備えている。入力装置４０４は、例えば、複数のボタンやダイヤルを備えた操作パネルで構成される。入力装置４０４は、後述する冪指数を設定するための操作を受け付ける。表示装置４０５は、例えば、液晶ディスプレイで構成される。入力装置４０４および表示装置４０５は、タッチパネルとして一体化されてもよい。警報装置４０６は、工作機械１１の異常をユーザに報知する。警報装置４０６には、例えば、光を発することにより工作機械１１の異常をユーザに報知する警報ランプ、あるいは、音を発することにより工作機械１１の異常をユーザに報知する警報ブザーを用いることができる。

図２は、本実施形態における制御装置４００の機能構成を示す説明図である。本実施形態では、制御装置４００は、ＮＣ制御部４１０と、工具摩耗検出部４２０とを有している。ＮＣ制御部４１０および工具摩耗検出部４２０は、それぞれ、メモリ４０２に格納されたコンピュータプログラムをＣＰＵ４０１が実行することによってソフトウェア的に実現される。

ＮＣ制御部４１０は、主軸装置１００と移動装置２００とを制御することによって、工作物ＷＫに対して工具ＴＬによる切削加工を施す。本実施形態では、ＮＣ制御部４１０は、主軸装置１００に設けられた主軸モータ１１５を駆動させることにより、主軸１１０に装着されている工具ＴＬを回転させるとともに、移動装置２００に設けられた各サーボモータを駆動させることにより、テーブル２３０に固定されている工作物ＷＫを工具ＴＬに対して、工具ＴＬの回転軸ＲＸに直交する方向に相対移動させることで、工作物ＷＫの側面に工具ＴＬによる切削加工を施す。

工具摩耗検出部４２０は、工具ＴＬの摩耗を検出する。本実施形態では、工具摩耗検出部４２０は、信号取得部４２１と、関数生成部４２２と、判定部４２３とを有している。信号取得部４２１は、切削加工時にセンサ３００から出力される信号を取得する。関数生成部４２２は、信号取得部４２１によって取得されたセンサ３００からの信号を用いて、後述する摩耗検出用関数を生成する。判定部４２３は、関数生成部４２２によって生成された摩耗検出用関数を解析することにより、工具ＴＬの摩耗の有無を判定する。なお、工具摩耗検出部４２０を有する制御装置４００のことを、工具摩耗検出装置と呼ぶことがある。

図３は、工具ＴＬの先端部に設けられた４つの刃Ｂ１～Ｂ４を示す断面図である。上述したとおり、本実施形態では、工具ＴＬは、エンドミルである。本実施形態では、工具ＴＬの先端部には、４つの刃Ｂ１～Ｂ４が設けられている。各刃Ｂ１～Ｂ４は、工具ＴＬの側面に、工具ＴＬの中心軸ＣＬを中心とする円周方向ＣＤに沿って等間隔で設けられている。なお、工具ＴＬの刃Ｂ１～Ｂ４の数は、４つに限られず、２つ以上であればよい。

本実施形態では、工具ＴＬは、その中心軸ＣＬを中心として、図３における時計回りに回転する。以下の説明では、工具ＴＬが１回転する時間のことを工具回転周期と呼ぶ。工具回転周期の逆数のことを工具回転周波数と呼ぶ。工具ＴＬの複数の刃Ｂ１～Ｂ４のいずれか１つが工作物ＷＫに切り込んでから、当該刃に対して工具ＴＬの回転方向の後方に隣り合う刃が工作物ＷＫに切り込むまでの時間間隔のことを切れ刃通過周期と呼ぶ。切れ刃通過周期の逆数のことを切れ刃通過周波数と呼ぶ。工具ＴＬが定速で回転しているときの切れ刃通過周期は、工具回転周期を工具ＴＬの刃の数で割ることによって算出できる。工具回転周期は、回転角検出器１２０を用いて取得できる。

工具ＴＬは、工作物ＷＫの切削を繰り返すことによって摩耗あるいは損傷する。ここでいう、摩耗とは、工具ＴＬの刃先が擦り減って切れ味が低下することを意味する。そのため、工具ＴＬの摩耗や損傷を検出して、所望の切れ味を確保できなくなる前に、工具ＴＬを交換することが好ましい。但し、工具ＴＬの交換タイミングが早すぎると、工具ＴＬの交換頻度が多くなって、工作物ＷＫを加工することで生産される製品の生産効率が低下する。さらに、工具ＴＬの交換タイミングが早すぎると、製品の生産に用いられる工具ＴＬの数が多くなって、製品の生産コストが高くなる。また、製品の生産を一時停止して工具ＴＬを検査すると、製品の生産効率が低下する。したがって、工具ＴＬを適切なタイミングで交換するためには、切削加工中にリアルタイムで、工具ＴＬの摩耗や損傷を検出することが好ましい。

工具ＴＬの摩耗や損傷が進行するほど、切削抵抗が大きくなって、各刃Ｂ１～Ｂ４が工作物ＷＫに切り込んだときに発生する切削音や振動が大きくなる。そのため、例えば、工具ＴＬが新品のときの切削音等の大きさと現在の切削音等の大きさとを比較することによって、工具ＴＬの摩耗や損傷を検出することができる。しかしながら、加工条件が異なれば、切削音等の大きさも異なるので、例えば、多品種少量生産ラインのように品種に応じて加工条件が頻繁に変更される環境下では、新品時と現在とで切削音等の大きさ比較して、工具ＴＬの摩耗や損傷を検出することは難しい。

本実施形態では、主軸装置１００が工具ＴＬを回転させ、移動装置２００が、回転している工具ＴＬに対して、工具ＴＬの回転軸ＲＸに直交する方向に沿って工作物ＷＫを相対移動させることにより、工作物ＷＫの側面に対して工具ＴＬによる切削加工が施される。切削加工時には、工具ＴＬの各刃Ｂ１～Ｂ４が次々に工作物ＷＫの側面に切り込む。最初に工作物ＷＫに刃が切り込むタイミングには、その後に工作物ＷＫに刃が切り込むタイミングに比べて大きな力が刃に加えられるので、最初に工作物ＷＫに切り込む刃は、その他の刃に比べて摩耗あるいは損傷する。最初に工作物ＷＫに切り込む刃は毎回同じではないため、工具ＴＬの各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷が均等に進行せずに、各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷に差異が生じる。各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷に差異が生じると、各刃Ｂ１～Ｂ４が工作物ＷＫに切り込んだときに生じる切削音の大きさや振動の大きさにも差異が生じる。そこで、本実施形態では、各刃Ｂ１～Ｂ４が工作物ＷＫに切り込んだときに生じる切削音の大きさの差異の度合いに基づいて、工具ＴＬの摩耗や損傷を検出する。

図４は、工具摩耗検出処理の内容を示すフローチャートである。図５は、センサ３００から出力される信号の波形を示す説明図である。図５において、横軸は時間を表しており、縦軸は振幅を表している。図６は、上記信号の周波数スペクトルを示す説明図であり、図７は、上記信号の周波数スペクトルの絶対値の２．０乗を示す説明図である。図６および図７において、横軸は周波数を表しており、縦軸は周波数成分の強さを表している。図８は、冪指数が２．０のときの摩耗検出用関数を示す説明図である。図８において、横軸は時間を表しており、縦軸は摩耗検出用関数の値の大きさを表している。図５から図８には、各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷に差異がある場合の波形が実線で表されており、各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷に差異がない場合の波形が破線で表されている。

図４に示す工具摩耗検出処理は、ＮＣ制御部４１０による切削加工の実行中に、工具摩耗検出部４２０によって繰り返し実行される。まず、ステップＳ１１０にて、工具摩耗検出部４２０の信号取得部４２１は、切削加工時にセンサ３００から出力される信号を取得する。図５には、信号取得部４２１によって取得される信号の波形が表されている。信号取得部４２１は、物理量を工具回転周期に比べて十分に長い期間計測することで得られる出力信号ＳＧを取得する。

ステップＳ１２０にて、関数生成部４２２は、０．０よりも大きく且つ２．０以下の範囲内で、冪指数を設定する。本実施形態では、関数生成部４２２は、入力装置４０４を介して入力された値を冪指数として設定する。関数生成部４２２は、例えば、冪指数を２．０に設定する。

ステップＳ１３０にて、関数生成部４２２は、ステップＳ１１０で取得された信号に対して高速フーリエ変換を施すことによって、信号の周波数スペクトルを生成する。図６には、信号の周波数スペクトルが表されている。図６では、工具回転周波数ｆｒにおいて小さなピークが現れており、切れ刃通過周波数ｆｐにおいて大きなピークが現れている。なお、工具回転周波数ｆｒよりも低い周波数には、環境音などのノイズによるピークが現れている。

ステップＳ１４０にて、関数生成部４２２は、ステップＳ１２０で設定した冪指数で、周波数スペクトルの絶対値を冪乗する。図７には、冪指数が２．０のときの周波数スペクトルの絶対値の冪乗、換言すれば、周波数スペクトルの絶対値の２．０乗が表されている。周波数スペクトルの絶対値の２．０乗は、一般に、パワースペクトル密度と呼ばれる。図７に示すように、冪指数が１．０よりも大きい場合には、周波数スペクトルの絶対値の冪乗を表す線は、図６に示した周波数スペクトルを表す線を非線形に引き伸ばした形状になる。後述するように、冪指数が１．０である場合には、周波数スペクトルの絶対値の冪乗を表す線は、周波数スペクトルを表す線の形状と同じになる。冪指数が０．０よりも大きく且つ１．０よりも小さい場合には、周波数スペクトルの絶対値の冪乗を表す線は、周波数スペクトルを表す線を非線形に平坦化した形状になる。

ステップＳ１５０にて、関数生成部４２２は、ステップＳ１２０で設定した冪指数で冪乗した周波数スペクトルの絶対値に対して逆高速フーリエ変換を施すことによって、摩耗検出用関数を生成する。図８には、冪指数が２．０のときの周波数スペクトルの絶対値の冪乗の逆高速フーリエ変換、換言すれば、周波数スペクトルの絶対値の２．０乗の逆高速フーリエ変換が表されている。

ステップＳ１３０からステップＳ１５０の処理によって生成される摩耗検出用関数は、下式（１）で表される。ψ（τ）は、自己相関関数に似せた関数である。
ψ（τ）＝ＩＦＦＴ（｜ＦＦＴ（ｘ（ｔ））｜^γ） ・・・（１）
ここで、ψ（τ）は、摩耗検出用関数であり、時間τの関数として表されている。ｘ（ｔ）は、信号であり、時間ｔの関数として表されている。ＦＦＴ（）は、括弧内の高速フーリエ変換である。γは、ステップＳ１２０で設定される冪指数であり、０．０よりも大きく２．０以下の範囲内の値である。ＩＦＦＴ（）は、括弧内の逆高速フーリエ変換である。

ステップＳ１６０にて、判定部４２３は、ステップＳ１５０で生成された摩耗検出用関数を用いて、工具ＴＬの摩耗や損傷の有無を判定する。本実施形態では、図８に示すように、判定部４２３は、摩耗検出用関数の波形から、摩耗が進んでいない刃のピーク（例えば、図８においてＴｐや２Ｔｐや３Ｔｐと表されている位置でのピーク）を検出して、検出した各ピークの近傍を通る近似直線を生成する。判定部４２３は、例えば、最小二乗法によって、各ピークの近似直線を生成する。判定部４２３は、摩耗が進んでいる刃のピーク値（図８において４Ｔｐと表されている位置でのピーク値）と近似直線との差Ｄを算出する。判定部４２３は、上記ピーク値と近似直線との差Ｄが予め定められた閾値を超える場合に、工具ＴＬに摩耗や損傷が生じたと判定し、上記ピーク値と近似直線との差Ｄが予め定められた閾値以下である場合には、工具ＴＬに摩耗や損傷が生じていないと判定する。例えば、予め行われる試験によって工具ＴＬの刃の切れ味が許容範囲外になったときの上記ピーク値と近似直線との差を調べ、このときの上記ピーク値と近似直線との差を上記閾値として用いることができる。上記閾値は、冪指数の値ごとに予め定められる。なお、上述した差異の大きさとは、差の大きさだけではなく、比率の大きさをも含む意味である。他の実施形態では、判定部４２３は、上記近似直線に対する上記ピーク値の比率を算出し、上記比率が予め定められた閾値を超える場合には、工具ＴＬに摩耗や損傷が生じたと判定し、上記比率が予め定められた閾値以下である場合には、工具ＴＬに摩耗や損傷が生じていないと判定してもよい。また、判定部４２３は、上記ピーク値と上記近似直線との差と閾値との比較や、上記近似直線に対する上記ピーク値の比率と閾値との比較ではなく、上記ピーク値と摩耗検出関数の実効値との差と閾値との比較や、摩耗検出関数の実効値に対する上記ピーク値の比率と閾値との比較によって、工具ＴＬの摩耗や損傷の有無を判定してもよい。

ステップＳ１７０にて、判定部４２３は、工具ＴＬの摩耗や損傷の有無を判定した判定結果を出力する。本実施形態では、判定部４２３は、表示装置４０５に、判定結果を表示させる。判定結果には、工具ＴＬの摩耗や損傷の有無の他に、図８に示すような、摩耗検出用関数の波形が表されてもよい。さらに、本実施形態では、判定部４２３は、工具ＴＬに摩耗や損傷が生じたと判定した場合には、警報装置４０６を作動させて、工具ＴＬに摩耗や損傷が生じたことをユーザに報知する。

その後、工具摩耗検出部４２０は、この処理を終了する。工具摩耗検出部４２０は、切削加工が終了するまで、この処理を繰り返し実行する。なお、工具摩耗検出処理のことを工具摩耗検出方法と呼ぶことがある。ステップＳ１１０のことを信号取得工程と呼ぶことがある。ステップＳ１２０からステップＳ１５０のことを関数生成工程と呼ぶことがある。ステップＳ１６０からステップＳ１７０のことを判定工程と呼ぶことがある。

図９は、センサ３００から出力される信号の周波数スペクトルの絶対値の１．０乗を示す説明図である。図９において、横軸は周波数を表しており、縦軸は周波数成分の強さを表している。図１０は、冪指数が１．０のときの摩耗検出用関数を示す説明図である。図１０において、横軸は時間を表しており、縦軸は摩耗検出用関数の値の大きさを表している。図９および図１０には、各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷に差異がある場合の波形が実線で表されており、各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷に差異がない場合の波形が破線で表されている。図９に示すように、冪指数が１．０である場合には、周波数スペクトルの絶対値の冪乗を表す線は、周波数スペクトルを表す線の形状と同じになる。図９に示すように、周波数スペクトルの絶対値の１．０乗は、図７に示した周波数スペクトルの絶対値の２．０乗に比べて、工具回転周波数ｆｒに対応する位置でのピークが強調されている。図１０に示すように、冪指数が１．０のときの摩耗検出用関数は、図８に示した冪指数が２．０のときの摩耗検出用関数に比べて、摩耗が進んでいる刃のピーク値と、摩耗が進んでいない刃のピーク値との差異が拡大されている。冪指数が１．０のときの摩耗検出用関数では、冪指数が２．０のときの摩耗検出用関数に比べて、ノイズが大きくなっている。周波数スペクトルにおける信号のピーク値をＡとし、周波数スペクトルにおけるノイズのピーク値をａとすると、周波数スペクトルにおける信号のピーク値とノイズのピーク値との差はｄ１＝Ａ－ａで表される。周波数スペクトルの絶対値の２．０乗においては、信号のピーク値はＡ^２で表され、ノイズのピーク値はａ^２で表されるので、周波数スペクトルの絶対値の２．０乗における信号のピーク値とノイズのピーク値との差はｄ２＝Ａ^２－ａ^２＝ｄ１×（Ａ＋ａ）で表される。このように、冪指数が大きいほど、周波数スペクトルの絶対値の冪乗における信号のピーク値とノイズのピーク値との差が大きくなり、冪指数が小さいほど、周波数スペクトルの絶対値の冪乗における信号のピーク値とノイズのピーク値との差が小さくなる。この結果、冪指数を小さくすると、摩耗検出用関数におけるノイズが大きくなる。

図１１は、センサ３００から出力される信号の周波数スペクトルの絶対値の０．５乗を示す説明図である。図１１において、横軸は周波数を表しており、縦軸は周波数成分の強さを表している。図１２は、冪指数が０．５のときの摩耗検出用関数を示す説明図である。図１２において、横軸は時間を表しており、縦軸は摩耗検出用関数の値の大きさを表している。図１１および図１２には、各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷に差異がある場合の波形が実線で表されており、各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷に差異がない場合の波形が破線で表されている。図１１に示すように、周波数スペクトルの絶対値の０．５乗は、図９に示した周波数スペクトルの絶対値の１．０乗に比べて、工具回転周波数ｆｒに対応する位置でのピークが強調されている。図１２に示すように、冪指数が０．５のときの摩耗検出用関数は、図１０に示した冪指数が１．０のときの摩耗検出用関数に比べて、摩耗が進んでいる刃のピーク値と、摩耗が進んでいない刃のピーク値との差異が拡大されている。冪指数が０．５のときの摩耗検出用関数では、冪指数が１．０のときの摩耗検出用関数に比べて、ノイズが大きくなっている。ノイズが大きくなる理由は、上述したとおりである。

図８、図１０、および、図１２に示すように、冪指数を小さくするほど、摩耗検出用関数において、摩耗が進んでいる刃のピーク値と、摩耗が進んでいない刃のピーク値との差異が大きくなる。そのため、上記差異が小さい場合には、冪指数を小さくすることによって、上記差異を大きくできる。また、図８、図１０、および、図１２に示すように、冪指数を大きくするほど、摩耗検出用関数においてノイズが小さくなる。そのため、上記ノイズが大きい場合には、冪指数を大きくすることによって、上記ノイズを小さくできる。

以上で説明した本実施形態の工作機械１１によれば、工具摩耗検出部４２０によって実行される工具摩耗検出処理により、工具ＴＬの各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷の差異を検出できる。工具摩耗検出処理において、関数生成部４２２は、切削加工時にセンサ３００から出力される信号に対して高速フーリエ変換を施して上記信号の周波数スペクトルを生成し、冪指数で冪乗した周波数スペクトルの絶対値に対して逆高速フーリエ変換を施すことによって、摩耗検出用関数を生成する。判定部４２３は、摩耗生成用関数を用いて、工具ＴＬに摩耗や損傷が生じたか否かを判定する。関数生成部４２２は、０．０より大きく且つ２．０以下の範囲内で冪指数を設定可能に構成されているので、摩耗検出用関数において、摩耗が進んでいる刃のピーク値と、摩耗が進んでいない刃のピーク値との差異が小さい場合には、冪指数を小さくすることによって上記ピーク値の差異を大きくできる。そのため、上記ピーク値の差異を大きくすることによって、各刃Ｂ１～Ｂ４の摩耗や損傷の差異の検出精度を高めることができる。また、摩耗検出用関数においてノイズが大きい場合には、冪指数を大きくすることによってノイズを小さくできるので、上記差異の大きさとノイズの大きさとのバランスを調整できる。特に、本実施形態では、工具摩耗検出処理を実行するためのプログラムのソースコードを変更しなくても、冪指数を簡単に変更できる。

また、本実施形態では、入力装置４０４を介して、冪指数を入力できる。そのため、ユーザは、冪指数を調整することによって、上記差異大きさとノイズの大きさとのバランスを調整できる。

また、本実施形態では、判定部４２３は、摩耗検出用関数の波形から、摩耗が進んでいない刃のピークの近傍を通る近似直線を生成し、工具回転周期Ｔｒに対応する位置でのピーク値と近似線との差Ｄが閾値を超えた場合に、工具ＴＬに摩耗や損傷が生じたと判定する。そのため、工具ＴＬの摩耗や損傷の有無を精度良く判定できる。

また、本実施形態では、判定部４２３は、工具ＴＬに摩耗や損傷が生じたと判定した場合には、警報装置４０６を作動させる。そのため、工具ＴＬの摩耗や損傷の発生をユーザに報知して、適切なタイミングでユーザに工具ＴＬの交換を促すことができる。そのため、工具ＴＬの交換頻度が多くなって生産効率が低下することや、生産に用いられる工具ＴＬの数が多くなって生産コストの増加を抑制できる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上述した第１実施形態では、工作機械１１は、立型マシニングセンタである。これに対して、工作機械１１は、立型マシニングセンタではなく、例えば、横型マシニングセンタや、ＮＣフライス盤であってもよい。工具ＴＬは、エンドミルではなく、例えば、平フライスなどのエンドミル以外のフライス工具でもよい。

（Ｂ２）上述した第１実施形態では、工具摩耗検出部４２０は、制御装置４００に設けられている。これに対して、工具摩耗検出部４２０は、制御装置４００に接続されたコンピュータに設けられてもよい。この場合、制御装置４００ではなく、当該コンピュータのことを工具摩耗検出装置と呼ぶ。

（Ｂ３）上述した第１実施形態において、工具摩耗検出部４２０の判定部４２３は、工具摩耗検出処理において、上述したピーク値と近似直線との差異の大きさが、上述した閾値よりも小さい予め定められた基準値以下であるか否かを判定し、上記ピーク値と近似直線との差異の大きさが基準値以下であると判定した場合に、工具ＴＬの摩耗や損傷の有無を判定してもよい。判定部４２３によって上記ピーク値と近似直線との差異の大きさが基準値以下であると判定された場合、関数生成部４２２は、冪指数を小さくして、摩耗検出用関数を再生成してもよい。冪指数を小さくする量は、例えば、０．１でもよいし、０．５でもよい。その後、判定部４２３は、再生成された摩耗検出用関数を用いて、上述したピーク値と近似直線との差異の大きさが基準値以下であるか否かを判定してもよい。この場合、上述したピーク値と近似直線との差異の大きさを自動で調整できる。なお、この場合には、冪指数を設定するための操作を受け付ける入力装置４０４が工作機械１１に設けられていなくてもよい。

（Ｂ４）上述した第１実施形態では、工作機械１１は、警報装置４０６を備えている。これに対して、工作機械１１は、警報装置４０６を備えていなくてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１１…工作機械、１００…主軸装置、１１０…主軸、１１５…主軸モータ、１２０…回転角検出器、２００…移動装置、２１０…ベッド、２１５…第１レール、２２０…サドル、２２５…第２レール、２３０…テーブル、２４０…コラム、２４５…第３レール、３００…センサ、４００…制御装置、４０１…ＣＰＵ、４０２…メモリ、４０３…入出力インターフェース、４０４…入力装置、４０５…表示装置、４０６…警報装置、４１０…ＮＣ制御部、４２０…工具摩耗検出部、４２１…信号取得部、４２２…関数生成部、４２３…判定部

Claims (7)

1. 工具摩耗検出装置であって、
   複数の刃を有する工具の回転により切削加工を施される工作物に前記複数の刃のそれぞれが接触することで生じる物理量を検出するセンサから出力される、前記物理量に応じた信号を取得する信号取得部と、
   前記信号に対して高速フーリエ変換を施すことによって前記信号の周波数スペクトルを生成し、前記周波数スペクトルの絶対値の冪乗に対して逆高速フーリエ変換を施すことによって関数を生成する関数生成部と、
   前記関数を解析することによって、前記工具が摩耗したか否かを判定する判定部と、
   を備え、
   前記関数生成部は、前記周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を、０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定可能に構成されている、
   工具摩耗検出装置。
2. 請求項１に記載の工具摩耗検出装置であって、
   前記冪指数を設定するための操作を受け付ける入力装置を備え、
   前記関数生成部は、前記入力装置に対する操作に応じて前記冪指数を設定する、工具摩耗検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の工具摩耗検出装置であって、
   前記関数生成部は、前記工具の回転周期に対応する位置を含む複数の位置にピークを有する前記関数を生成し、
   前記判定部は、
   前記複数の刃のピークの近傍を通る近似直線を生成し、
   摩耗が進んだ刃のピーク値と前記近似直線との差異の大きさが、前記冪指数ごとに予め定められた閾値を超えた場合に、前記工具が摩耗したと判定する、工具摩耗検出装置。
4. 請求項３に記載の工具摩耗検出装置であって、
   前記関数生成部は、前記差異の大きさが前記閾値よりも小さい予め定められた基準値以下である場合には、前記冪指数を小さくして前記関数を再生成する、工具摩耗検出装置。
5. 請求項１に記載の工具摩耗検出装置であって、
   前記判定部によって前記工具が摩耗したと判定された場合に、警報を発する警報装置を備える、工具摩耗検出装置。
6. 工具摩耗検出方法であって、
   複数の刃を有する工具の回転により切削加工を施される工作物に前記複数の刃のそれぞれが接触することで生じる物理量を検出するセンサから出力される、前記物理量に応じた信号を取得する信号取得工程と、
   前記信号に対して高速フーリエ変換を施すことによって前記信号の周波数スペクトルを生成し、前記周波数スペクトルの絶対値の冪乗に対して逆高速フーリエ変換を施すことによって関数を生成する関数生成工程と、
   前記関数を解析することによって、前記工具が摩耗したか否かを判定する判定工程と、
   を有し、
   前記関数生成工程では、前記周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を、０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定する、
   工具摩耗検出方法。
7. 工作機械であって、
   複数の刃を有する工具が装着される主軸を有し、前記主軸に装着された前記工具を回転させる主軸装置と、
   前記工具の回転により切削加工を施される工作物が固定されるテーブルを有し、前記主軸に装着された前記工具に対して、前記テーブルに固定された前記工作物を相対移動させる移動装置と、
   前記主軸装置と前記移動装置とを制御する制御装置と、
   前記工作物に前記複数の刃のそれぞれが接触することで生じる物理量を検出するセンサと、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記センサから出力される、前記物理量に応じた信号を取得する信号取得部と、
   前記信号に対して高速フーリエ変換を施すことによって前記信号の周波数スペクトルを生成し、前記周波数スペクトルの絶対値の冪乗に対して逆高速フーリエ変換を施すことによって関数を生成する関数生成部と、
   前記関数を解析することによって、前記工具が摩耗したか否かを判定する判定部と、
   を有し、
   前記関数生成部は、前記周波数スペクトルの絶対値を冪乗するときの冪指数を、０よりも大きく且つ２以下の範囲内で設定可能に構成されている、
   工作機械。

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